МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 627.5

МЕТОДОЛОГИЯ И ТЕОРИЯ ПО ВЫБОРУ И ОЦЕНКИ РАБОТЫ

ГИБКИХ ПРОТИВОЭРОЗИЦИОННЫХ БЕРЕГОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ,

АДАПТИРОВАННЫХ К МОРФОЛОГИИ РЕК

 

З.Г. Ламердонов – к.т.н., доцент

Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная  академия,

г. Нальчик, Россия

 

Развитие речных русл – производная сложного сочетания различных климатических, гидрологических, геологических, морфологических факторов, степень проявления которых неодинакова в конкретных природных условиях.

Основными морфологическими факторами, от которых зависит интенсивность боковой водной эрозии, являются: режим рек; продолжительность паводка; русловые процессы; наносный режим; продольные и поперечные профили и устойчивость русл.

Режим рек. При сезонном колебании расходов и связанных с ним уровней воды гидравлические элементы потока также изменяются, создаются условия для формирования русла. В разные годы величина расходов и характер прохождения половодий сильно меняются.

Продолжительность паводка. На малых реках и оврагах с дождевым питанием длительность паводка исчисляется несколькими сутками и даже часами. На горных реках наблюдается более резкое колебание расходов воды, связанное с изменением температуры воздуха и выпадением дождевых осадков, чем на равнинных. Особенности формирования и распределения внутригодового стока имеют весьма важное значение для русловых процессов в реках и для работы сооружений по регулированию русл.

Русловые процессы. При регулировании рек и строительстве гибких противоэрозионных  берегозащитных сооружений чаще всего приходится встречаться со следующими русловыми процессами:

деформации русла в бытовых условиях: размыв  горных участков и отложение наносов в нижнем течении рек; размыв (занесение) плесов и занесение (размыв) перекатов на подъеме паводка; размыв берегов и отложение наносов в русле с образованием отмелей; размыв и занесение русла в период зажоров и заторов;

деформации русла  при выправлении рек без регулирования стока: размыв и намыв русла в пределах регулируемого участка; местный намыв и размыв русла у берегозащитных дамб;

переформирования русла после постройки берегозащитных сооружений, когда естественный режим жидкого и твердого стока нарушается.

Наносный режим. Количество и состав речных наносов – важнейшие факторы, определяющие механизм руслового процесса. Перемещаясь во взвешенном состоянии или влекомом состоянии, они создают аллювиальные (аккумулятивные) формы рельефа речного русла, в значительной степени определяют характер самого течения, вызывают увеличение или уменьшение живой силы потока. В свою  очередь, сток наносов зависит от геологического строения речных бассейнов, их климатических условий, рельефа, почв и растительности.

Характер взаимодействия потока и русла зависит от соотношения гидрологических и геолого-геоморфологических факторов. Слабая устойчивость пород, слагающих ложе реки, мелкий русловый аллювий при большой удельной энергии потока обусловливают преимущественную роль потока в русловом процессе; наоборот, в условиях распространения пород, противостоящих размыву (скальные, связные), поток, обладающий даже значительной энергией, иногда полностью управляется руслом.

Развитие продольных и поперечных профилей рек. Русловые деформации подразделяются на два вида: вертикальные и горизонтальные. Первые связаны с трансформацией продольного профиля реки, сопровождаются повышением (аккумуляция) или понижением (глубинная эрозия) его отметок и являются следствием процесса автоматического выравнивания транспортирующей способности потока. Вторые обусловлены в первую очередь боковой эрозией и проявляются в изменениях русла в плане.

Устойчивость русл. По устойчивости русл все реки можно разделить на три группы: блуждающие реки; реки неустойчивые; реки устойчивые.

Блуждающие реки отличаются наибольшей изменчивостью русла, у которых постоянно изменяются очертания русла в плане. Ежегодно смещение перекатов и плесов вниз по течению достигает 200-1000 м. Такими являются многие реки Северного Кавказа. Оценка устойчивости русл производится по показателю устойчивости. Именно этот показатель в наибольшей степени позволяет прогнозировать боковую водную эрозию.

Выделим основные морфологические элементы реки, количественно оценивающие вышеперечисленные морфологические факторы, влияющие на процесс боковой эрозии. Так, основными морфологическими элементами  потока, которые необходимо учитывать, являются: скорость потока; глубина; мутность воды;  продолжительность паводкового периода. Основными морфологическими элементами русла, которые учитываются при выборе варианта, являются: фракционный состав русла; уклон русла; относительное заполнение поймы; форма русла реки в плане.

Известно, что в русловой гидротехнике важным показателем потока является число Фруда (Fr), которое определяется по формуле

                                               ,                                                                  (1)

где     v – средняя скорость, м/с;  H глубина при максимальном расходе воды, м.

Этот показатель объединяет два морфологических элемента потока v скорость  и глубину H и является важным показателем для оценки энергетической характеристики потока.

Другим важным показателем, которым оценивают устойчивость русла, является коэффициент устойчивости русла, предложенный В.М. Лохтиным и чуть позже –  Н.И. Маккавеевым. Этот показатель зависит от отношения сопротивления частиц наносов к влекущей силе потока. Сопротивление приближенно принимается пропорциональным весу частицы, то есть величине d3  (d – средний диаметр частиц), а влекущая сила – величине гидродинамического давления на частицу, то есть  произведению v2d2. Так как v2 при прочих равных условиях пропорциональна уклону I, то давление на частицу пропорционально d2I, поэтому отношение будет иметь вид

                                            .                                                                  (2)

Коэффициент устойчивости Н.И. Маккавеева определяется по формуле

                                             ,                                                                 (3)

где    B ширина русла, м.

В нашем случае будем использовать показатель устойчивости, предложенный В.М. Лохтиным. При этом коэффициент устойчивости f определяется  при  d в мм  и I в м на 1 км.

Важным показателем, который необходимо учитывать, является наносный режим реки. Количественно содержание наносов в реке оценивается мутностью потока. Как правило, в реках КБР мутность потока колеблется в пределах 0,1÷5 кг/м3. Наносы, содержащиеся в реке, оказывают двоякое влияние. Непосредственно контактируя с поверхностью крепления, они истирают его. Так, например, по результатам наблюдений отмечено истирание бетонных облицовок до 10 см в результате действия наносов. Вместе с тем наносы можно использовать как средство, способствующее  противоэрозионной защите, если принять правильное техническое решение, способствующее их отстаиванию по береговой линии.

Важным фактором, определяющим нагрузку на крепление, является продолжительность паводкового периода. На различных реках и даже на разных участках одной реки продолжительность контактирования крепления с водой может колебаться от одного месяца до двенадцати.

Проанализировав каждый фактор, можно прийти к выводу, что седьмым и восьмым  факторами  (относительным заполнением русла в паводковый период и формой русла в плане) можно пренебречь.

Таким образом, основными факторами, влияющими на выбор варианта берегоукрепительного сооружения, приняты: коэффициент кинетичности,  (Х1); коэффициент устойчивости,  (Х2); мутность воды, Х3; продолжительность паводкового периода, Х4.

На основании предварительно проведённых экспериментов были определены интервалы варьирования основных факторов, приведенных в табл. 1.

Для исследования были выбраны двадцать  вариантов гибких противоэрозионных берегозащитных сооружений (ГПБС), которые обследовались, либо необходимый материал по ним собирался по экспертным оценкам и  отчетам инвентаризаций, проводимых регулярно организациями, на балансе которых они находятся.

Таблица 1

Уровни варьирования основных факторов

 

Факторы

Уровни факторов

-1

0

+1

Коэффициент кинетичности,  Х1

0,2

0,6

1,0

Коэффициент устойчивости, Х2

1

8

15

Мутность воды, Х2,  кг/м3

0,1

2,55

5,0

Продолжительность паводкового периода, Х4 , мес.

1

6,5

12

 

В качестве основных вариантов приняты семь наиболее популярных ГПБС, широко внедряемых на реках Северного Кавказа, и тринадцать новых запатентованных технических решений. Из принятых – четырнадцать являются дамбами с откосными креплениями и шесть – подпорными стенками.  Все варианты берегозащитных сооружений показаны на рисунках в приложении.

Важной  задачей  объективной оценки адаптированности ГПБС к морфологическим условиям рек  является разработка параметра оптимизации.   В качестве параметра оптимизации разработан интегральный показатель (ИП), состоящий из суммарной оценки по надежности, экономичности и экологичности  применительно к местным   морфологическим элементам потока и русла.

 

Схема процесса моделирования

Общая относительная экономическая и экологическая оценка различных вариантов гибких откосных креплений не зависит от морфологических элементов потока и реки, а определяется  материалами и конструктивными особенностями  технических решений. Для объективной оценки различных вариантов сделаны проекты ГПБС длиной  100 м и высотой 3 м.

При оценивании берегоукрепительного сооружения по экологичности оценка производится в результате сравнения количества применяемых техногенных материалов при строительстве различных вариантов.

Оценка каждого варианта производится по  интегральному  принципу. Наивысшая оценка по надежности,  экономичности,  экологичности - по 10 баллов. Таким образом, максимальная возможная интегральная  оценка - 30 баллов.

Интегральная оценка Пи каждого вида откосного крепления зависит от показателя надежности крепления  Пн, который для каждого вида откосного крепления определяется по результатам экспертных оценок, в зависимости от основных морфологических элементов потока и русла. Для этого для конкретных морфологических условий определяется срок службы различных вариантов креплений. Зная максимальный срок службы берегоукрепительного сооружения, а он принимается равным 40 лет, устанавливается относительная оценка в баллах.

Интегральный показатель будет определяться по формуле

                                         Пи = Пн + кпПс + кпПэ,                                                            (4)

где  Пн, Пс, Пэ соответственно, показатель надежности, экономичности и экологичности;     кп - весовой коэффициент, зависящий от надежности принятого варианта крепления,  кп = 0,1Пн.

Расчеты по определению интегрального показателя производилось в табличной форме для каждого варианта.

Экспериментальные исследования проводились с применением математической  теории планирования эксперимента. В качестве базового плана эксперимента был  выбран план Бокса (В4), по своим статистическим характеристикам близкий к D – оптимальным планам. Применение планов типа Вi позволяет проанализировать общую картину изучаемого явления, количественно оценить роль факторов и их взаимодействий, произвести анализ экспериментов для определения зоны оптимума.

Общий вид моделей, описывающих параметр оптимизации, имеет вид

                                       (5)

где – свободный член уравнения, т.е. средний выход функции оптимизации;

  коэффициент при линейных взаимодействиях;  – коэффициенты при парных взаимодействиях; – коэффициенты при квадратичных эффектах; – коэффициенты при смешанных взаимодействиях с числом переменных выше трех.

Определение коэффициентов уравнения регрессии производилось в матричной форме. 

Оценка адекватности полученных регрессионных уравнений проводилась по критерию Фишера.

 

Вычисление кодированных значений факторов производилось по формулам

Построены имитационные модели для принятых вариантов ГПБС. Имитационные модели имитируют работу ГПБС по ИП в зависимости от конкретных величин морфологических элементов потока и русла.

Таблица 2

Оценка работы ГПБС по величине интегрального показателя

Интегральный

показатель работы ГПБС

Оценка работы ГПБС

Класс по капитальности

возводимых ГПБС

0-6

неудовлетворительная

строить нельзя

6-12

удовлетворительная

временные ГПБС

12-16

хорошая

капитальные ГПБС

выше 16

высокая

капитальные ГПБС

 

Для автоматизированного выбора оптимального варианта ГПБС из имитационных моделей построена  имитационная система.

Оценка работы гибкого противоэрозионного берегозащитного сооружения по величине интегрального показателя, полученная по расчетам имитационных моделей, приведена  в табл. 2.

При реализации разработанной имитационной системы и способов защиты от размыва гибкими конструкциями, адаптированными к местным морфологическим условиям, уже на стадии проектирования будет исключен вариант неправильного выбора берегозащитного сооружения. Увеличится надежность и  продолжительность срока службы ГПБС.

 

 

Библиографический список

 

1.      Ламердонов З.Г. Гибкие берегозащитные сооружения, адаптированные к морфологическим условиям рек. – Нальчик: КБГСХА, 2004. 151 с.

2.      Ламердонов З.Г. Гибкие ячеистые крепления откосов. //Мелиорация и водное хозяйство. –2002. № 4.  С. 19-21.

3.      Ламердонов З.Г. Гибкие откосные крепления. //Гидротехническое строительство.  2003. № 1.  С. 39–43.

4.      Ламердонов З.Г., Дышеков А.Х., Хаширвоа Т.Ю. Гибкие подпорные стенки, адаптированные к морфологическим условиям рек. //Гидротехническое строительство.  2004. №1.   С. 15–20.