УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
В статье описываются результаты работ по исследованию русловых процессов и разработке рекомендаций по защите технического коридора подводных трубопроводов на участке реки Урал. Проведены гидрометрические измерения основных параметров потока и русла с использованием ADCP метода и многолучевого эхолота. Даны детальные предложения по защите инженерных сооружений на участке реки с использованием гидротехнических конструкций и методов. Подобные исследования рекомендуется проводить для предотвращения возможных аварийных ситуаций на гидротехнических объектах в результате воздействия негативных деформаций русла.
Русловые процессы, негативные деформации русла, инженерные сооружения, ADCP, многолучевой эхолот, русловая съемка, рекомендации по защите русла реки.
Применение ADCP метода для исследования плана течений и прогноза русловых процессов
Одной из наиболее острой проблемой предотвращения аварийных ситуаций является обеспечение динамической стабильности русла реки (канала) в районе инженерных сооружений: (водозаборы, подводные переходы трубопроводов, берегоукрепительные и стокорегулирующие конструкции, узловые сооружения для отвода воды в каналы низшего порядка и др.)
Для исследования русловых деформаций был выбран участок реки Урал на участке подводного перехода трубопроводов. В полевых исследованиях и разработке рекомендаций по защите русла реки от неблагоприятных деформаций принимали участие сотрудники отдела гидротехники и гидравлики ВНИИГиМ. Работы включали: русловую съемку, отбор и анализ проб донных отложений на гранулометрический состав, измерение скоростей течения ADCP методом (Acoustic Doppler current profiler) [1], позволяющим с высокой точностью определять скорость и направление течения по глубине потока.
Измерения скоростей на участке реки производились в период спада половодья на семи гидрометрических створах. Все измерения на створах были проведены в мае 2019 года при среднем уровне воды в реке 76.28 м. абс. (БС). Результаты русловой съемки показаны на рисунке 1, карта донных отложений – на рисунке 2.
Рисунок 2. Донные отложения на участке реки
В таблице 1 представлены основные параметры потока на гидростворах, рассчитанные по каждому из проходов промерного судна, а также средние их величины. Погрешность измерения средних величин гидрологических характеристик не превышала 3% при доверительной вероятности 95%.
Таблица 1. Результаты измерения основных гидрологических характеристик на гидрометрических створах
|
№№ прохода |
Время (моск.) |
Средний уровень воды на створе, м БС |
Суммарный расход воды Q, м3/с |
Площадь сечения разреза, м2 |
Средняя скорость течения U, м/с |
|
ГС 2 - 23.05 ( расстояние между берегами около 140 м) |
|||||
|
1 |
15:50 |
76.32 |
238 |
314 |
0.76 |
|
2 |
15:52 |
76.32 |
244 |
310 |
0.79 |
|
3 |
15:53 |
76.32 |
243 |
311 |
0.78 |
|
4 |
15:55 |
76.32 |
240 |
312 |
0.77 |
|
Средн. |
|
|
241 |
312 |
0.77 |
|
ГС 6 - 23.05 ( расстояние между берегами около 130 м) |
|||||
|
1 |
15:33 |
76.29 |
240 |
325 |
0.74 |
|
2 |
15:36 |
76.29 |
245 |
329 |
0.74 |
|
3 |
15:38 |
76.29 |
238 |
334 |
0.71 |
|
4 |
15:45 |
76.29 |
235 |
326 |
0.72 |
|
Средн. |
|
|
240 |
329 |
0.73 |
|
ГС 7 - 23.05 ( расстояние между берегами около 130 м) |
|||||
|
1 |
15:24 |
76.27 |
245 |
341 |
0.72 |
|
2 |
15:26 |
76.27 |
238 |
346 |
0.69 |
|
3 |
15:27 |
76.27 |
240 |
350 |
0.68 |
|
4 |
15:29 |
76.27 |
243 |
348 |
0.70 |
|
Средн. |
|
|
241 |
346 |
0.70 |
|
ГС 8 - 23.05 ( расстояние между берегами около 120 м) |
|||||
|
1 |
15:05 |
76.25 |
241 |
355 |
0.68 |
|
2 |
15:08 |
76.25 |
243 |
357 |
0.68 |
|
3 |
15:10 |
76.25 |
241 |
357 |
0.67 |
|
4 |
15:12 |
76.25 |
241 |
355 |
0.68 |
|
Средн. |
|
|
242 |
356 |
0.68 |
|
ГС 9 - 23.05 ( расстояние между берегами около 100 м) |
|||||
|
1 |
14:49 |
76.17 |
243 |
248 |
0.98 |
|
2 |
14:51 |
76.17 |
244 |
248 |
0.98 |
|
3 |
14:53 |
76.17 |
240 |
248 |
0.97 |
|
4 |
14:54 |
76.17 |
244 |
247 |
0.98 |
|
Средн. |
|
|
243 |
248 |
0.98 |
|
ГС 10 - 23.05 ( расстояние между берегами около 145 м) |
|||||
|
1 |
16:01 |
76.34 |
240 |
340 |
0.71 |
|
2 |
16:03 |
76.34 |
249 |
336 |
0.74 |
|
3 |
16:05 |
76.34 |
235 |
334 |
0.70 |
|
4 |
16:07 |
76.34 |
235 |
334 |
0.71 |
|
Средн. |
|
|
240 |
336 |
0.71 |
|
ГС 11 - 23.05 ( расстояние между берегами около 100 м) |
|||||
|
1 |
14:30 |
76.10 |
240 |
272 |
0.88 |
|
2 |
14:31 |
76.10 |
241 |
276 |
0.87 |
|
3 |
14:34 |
76.10 |
242 |
270 |
0.89 |
|
4 |
14:35 |
76.10 |
239 |
276 |
0.87 |
|
Средн. |
|
|
240 |
274 |
0.88 |
Обработка записей ADCP производилась с помощью программы «WinRiver2» [2]. Для оценки скоростей течения и расходов на участках с глубинами, меньшими, чем те, при которых можно использовать ADCP, были применены численные экстраполяционные методы. Построение плановых изображений проводилось с помощью программ Voxler [3] и Surfer [4].
Результаты измерения распределения скоростей потока представлены на рисунке 3 (по сечению ГС2).
Рисунок 3. Распределение скоростей течения по поперечному сечению (ГС2)
Технические возможности профилографа ADCP не позволяют измерять скорости течения до глубины около 1 м и в придонном слое толщиной, равной 6% от глубины места. Расчеты расходов за пределами области непосредственных измерений проводились по значениям скоростей, полученным путем экстраполяции с использованием общепринятых стандартных формул, заложенных в программу обработки WinRiver2.
Усреднение для каждого створа производилось по четырем проходам зондирующего катера для прямоугольных областей размером 1м (по вертикали) на 10м (по горизонтали), то есть примерно по 300-500 измеренным значениям мгновенных скоростей, что обеспечивает хорошую статистическую достоверность результатов. Анализ полученных результатов показывает, что поле скоростей характеризуется сильной изменчивостью направлений и наличием областей с отбойными течениями и противотоками.
Рекомендации по ликвидации сбойных течений и размывов на р. Урал в районе инженерных сооружений
Анализ материалов и разрботка мероприятий по защите русла реки от неблагоприятных деформаций проводились с использованием наработок отдела гидротехники и гидравлики в этой области [5, 6, 7, 8]
Для предотвращения размывов, активных русловых деформаций в зоне технического коридора необходимо провести комплекс проектных, строительно-монтажных и русловыправительных работ:
- Технический коридор находится в вершине излучины реки, что провоцирует сбойность течения, формирование русловой ложбины под левым берегом и оголению ниток трубопроводов под левым берегом. Естественная структура потока на участке также изменена дноукрепительными работами, которые привели к местному увеличению скоростей течения в реке и соответственно к увеличению местных деформаций дна (3-я и 4-я нитки у левого берега). На нижних нитках 9-й, 10-й и 11-й сползшее берегоукрепление из бетонных плит затормозило активное развитие меандры и служит поддерживающим фактором предупреждения плановых деформаций. Одновременно сужение сечения потока привело в увеличению вертикальных размывов в реке на нижних по течению нитках.
- Изменить полностью гидравлический режим и существенно перераспределить скорости по поперечному сечению реки нецелесообразно по причине ошибочной вертикальной трассировки трубопроводов на подводных переходах и возможному оголению труб на других участках.
- Для стабилизации потока необходимо несколько уменьшить кривизну меандры и уменьшить сбойность потока исходя из трассировки трубопроводов. Для этого требуется наметить береговую линию, к которой следует привести левый берег.
- Поскольку в створе технического коридора устраивать шпоры крайне нежелательно по причине интенсификации размывов за ними, то 2-3 направляюшие шпоры целесообразно устанавить перед техническим коридором. (не ближе 12 глубин у оголовка в паводок) перед первой ниткой. Одну шпору (4-ю) можно установить непосредственно за 8-й ниткой с верху по течению реки, с одновременным укреплением дна отсыпкой щебеночного плаща (фракция 40-70 или большим диаметром до 120 мм) за оголовком шпоры, на расстояние до 10-12 глубин у оголовка вниз по течению. Последнюю шпору установить за техническим коридором (5-я шпора).
- Одновременно необходимо произвести укладку грунтозаполненных контейнеров под участками активного размыва с последующей отсыпкой гравплаща или укладкой плоских габионов с широким гребнем (не менее 10м).
- Для обеспечения транзита потока и ликвидации сбойных течений в пределах коридора следует организовать транзитный канал динамически устойчивого сечения, параметры которого должны примерно соответствовать перекрываемой части русла шпорами по расходу.
- Предлагаемые работы по трассировке канала необходимо увязывать с вертикальной трассировкой трубопроводов для предотвращения их оголения и появления размывов в канале.
- С учетом активного транспорта наносов и интенсивно протекающего руслового процесса, фарватер должен сместиться к правому берегу с частичным равномерным размывом правобережной отмели. Необходимо спрогнозировать деформации правого берега, определить расчетную расстановку шпор, с точки зрения поддержания гидравлической устойчивости русла, более точной расстановки направляющих русловыправительных сооружений до и после коридора исходя из заглубления труб, определить нагрузки на сооружения (ледовые) и определить рациональный тип применяемой конструкции шпор. Рекомендуемая толщина отсыпки плаща 0,5-0,6м.
Конструкцию шпор, удерживающих размываемые вогнутые берега от меандрирования выше и ниже перехода, можно произвести отсыпкой из крупного камня массой более 200 кг или укладкой бетонных массивов на каменно-щебеночную подготовку.
1. Для прогнозирования состояния гидротехнических сооружений на реке – водоисточнике и каналах крайне необходимы натурные исследования русловых процессов.
2. Проведены детальные полевые исследования на участке подводных переходов трубопроводов, включающие крупномасштабную русловую съемку, измерение скоростей и направления течения ADCP методом.
3. На основе полученных результатов разработаны предварительные рекомендации по предотвращению опасных размывов на участке реки в районе инженерных сооружений.
4. Полученный в результате натурных полевых исследований набор данных позволяет более детально исследовать закономерности различных аспектов русловых процессов в реках и каналах применительно к гидромелиорации земель.
5. Pat. 2108424, ROSSIYSKAYA FEDERATSIYA. SPOSOB VYPRAVLENIYA RUSLA REKI S ZASHCHITOY YEGO OT RAZMYVA / Medvedev S.S., Shcherbakov A.O. i dr.
6. Shcherbakov A.O., Yermakov G.G. Metod pofraktsionnogo rascheta raspredeleniya nanosov v ruslovom potoke// - M.: Melioratsiya i vodnoye khozyaystvo. №5, 2014, s.65-69.
7. Shcherbakov A.O., Medvedev S.S. Razrabotka novykh sposobov regulirovaniya tverdogo i zhidkogo stoka na gidromeliorativnykh sistemakh. V sbornike: Kompleksnyye melioratsii - sredstvo povysheniya produktivnosti sel'skokhozyaystvennykh zemel' Materialy yubileynoy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Federal'noye gosudarstvennoye byudzhetnoye nauchnoye uchrezhdeniye «Vserossiyskiy nauchno-issledovatel'skiy institut gidrotekhniki i melioratsii imeni A.N.Kostyakova», 2014. S. 255-263.
8. Baramykov M.R. Dopolnitel'nyye vozmozhnosti ispol'zovaniya ADCP dlya resheniya zadach rechnoy gidravliki. Puti povysheniya effektivnosti oroshayemogo zemledeliya. 2018. № 2 (70). S. 212-217.
