Глава IV. ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПУТЕВЫХ МЕРОПРИЯТИЙ НА СУДОХОДНЫХ РЕКАХ
4.1. Дноуглубительные работы
на внутренних водных путях
Судоходные прорези на реках
Дноуглубительные работы на свободных реках являются одним из основных способов поддержания судоходных условий. Такая практика на внутренних водных путях России сложилась уже достаточно давно. Использование современных технических средств дноуглубления позволило в течение длительного времени планомерно увеличивать и поддерживать судоходные глубины. Доля выправительных работ в общем объеме путевых работ на водных путях России относительно невелика.
Несмотря на значительное сокращение объемов транзитного землечерпания, которое произошло в середине 90-х годов в силу объективных причин, проблема оценки влияния дноуглубительных работ на морфологию русел и гидравлику речного потока остается по-прежнему актуальной. Более того, отдельные аспекты этой проблемы в современных условиях требуют разработки новых подходов в части научно-методического и организационного обеспечения путевых мероприятий.
В первую очередь, это связано с совершенствованием транспортного, водного и природоохранного законодательства в стране.
В соответствии с Кодексом внутреннего водного транспорта Российской Федерации, перечень водных объектов, используемых в качестве водных путей для судоходства, определяется Правительством Российской Федерации. В современной редакции Водного кодекса для проведения дноуглубительных и других работ в акватории морского или речного порта, а также работ по содержанию внутренних водных путей Российской Федерации не требуется заключения договора водопользования. Использование поверхностных водных объектов в качестве путей сообщения осуществляется в соответствии с законодательством о водном транспорте.
|
|
|
Во-вторых, нужно иметь в виду, что к настоящему времени на ряде судоходных реках Российской Федерации проявились необратимые неблагоприятные экологические последствия инженерной деятельности, проводимой на водных объектах в прежние годы. В отдельных случаях [Гладков, 1988; Чалов, 1995] этому способствовало значительное переуглубление перекатов при достижении гарантированных судоходных глубин. Поэтому, при планировании габаритов водных путей на перспективу необходимо установить допустимые пределы возможного их увеличения с учетом современного состояния руслового режима судоходных рек.
С другой стороны, как показывают самые последние результаты исследований [Георгиевский и др., 2013], изменения гидрологического режима на судоходных реках, происходящие в результате глобального потепления климата, в настоящее время становятся значимыми, что необходимо учитывать в практической деятельности при организации и проведении путевых работ. Основная проблема заключается в том, что до последнего времени специальным образом не регламентировались вопросы обеспечения судоходных условий на участках рек, подверженных влиянию антропогенных и климатических факторов.
|
|
|
И, наконец, сокращение объемов финансирования на содержание внутренних судоходных путей в стране, в настоящее время побуждает к поиску более экономичных способов поддержания судоходных условий. Их основу составляют рекомендации по рациональному трассированию землечерпательных прорезей и мероприятия по снижению их заносимости.
На внутренних водных путях дноуглубительные работы выполняются с помощью землечерпательных снарядов, которые извлекают и удаляют грунт с затруднительных для судоходства участков речного русла. Углубляемый земснарядами участок дна водного объекта называют дноуглубительной (судоходной) прорезью. В результате выполнения дноуглубительных работ на перекатах, подходах к портам, затонам и на их акваториях поддерживаются установленные габариты судового хода.
Дноуглубительные работы, выполняемые на внутренних водных путях, подразделяются на транзитные и внетранзитные.
|
|
|
Транзитные дноуглубительные работы выполняют для обеспечения или увеличения габаритов водного пути на существующих или вновь открываемых участках внутренних водных путей.
Внетранзитное дноуглубление, выполняемое за пределами транзитного судового хода, предусматривает выполнение работ по углублению подходов к портам, пристаням и причалам, разработку затонов и отстойных пунктов, устройство котлованов гидротехнических сооружений, траншей под подводные переходы, намыв территорий и сооружений.
Транзитные дноуглубительные работы по своему назначению подразделяются на капитальные и эксплуатационные.
Капитальные работы выполняют для коренного улучшения судоходных условий на затруднительных участках рек. Основная цель капитального дноуглубления – создание нового судового хода, более удобного для судоходства и менее подверженного заносимости. Капитальные дноуглубительные работы предусматривают создание судового хода путем спрямления пойменных извилин, отторжения побочней или углублением развивающихся второстепенных рукавов. Перенос судового хода на новое место выполняют при неблагоприятных судоходных условиях на существующем судовом ходу вследствие малого радиуса закругления судового хода, наличия свального течения, или для того, чтобы снизить объемы эксплуатационного землечерпания.
|
|
|
Капитальные работы могут выполняться в пределах существующих судовых ходов для их углубления и расширения, а также для обеспечения их устойчивости путем закрепления размываемых берегов и подвижных русловых образований – побочней, осередков и островов.
Эксплуатационные дноуглубительные работы выполняют на существующих судоходных трассах для поддержания заданных габаритов пути и обеспечения безопасности судоходства. Эксплуатационные дноуглубительные работы подразделяются на восстановительные и ремонтные.
Восстановительные работы выполняют в подготовительный период для удаления с судового хода наносов, отложившихся на перекатах во время весеннего половодья. Их цель – восстановить на перекатах судоходные глубины и, тем самым, подготовить существующий судовой ход к наступлению маловодной межени.
Ремонтные дноуглубительные работы проводят на реках в период низкой водности – межени для ликвидации повторной заносимости судоходных прорезей. В зависимости от интенсивности транспорта наносов на перекате в меженный период времени, такие работы могут выполняться несколько раз за навигацию.
При разработке прорези земснарядом через гребень переката создается подводный канал заданной глубины и ширины. На рис. 4.1 показаны план, поперечный и продольный профили русла с глубиной h1 при проектном уровне воды.
После разработки прорези с заглублением в речное дно на величину hсл глубина на участке прорези получилась равной 
, где d Z– понижение уровня воды на перекате, вызванное разработкой дноуглубительной прорези.
Величина временного повышения мутности в реке в процессе землечерпания незначительна по сравнению с естественной (фоновой) для данного участка реки мутностью, ежегодно наблюдающейся в половодье и при размывах русла в межень. По мере удаления от места укладки грунта в отвал концентрация взвешенных минеральных частиц грунта снижается до фоновых значений в результате их осаждения на дно потока.
Границы поля дополнительной мутности и ее концентрацию рассчитывают по методике, разработанной в Новосибирском институте инженеров водного транспорта («Временные указания по оценке повышения мутности…», Главводпуть, 1986).
Указанная методика оценки временного местного повышения мутности потока в процессе землечерпания пригодна только для транзитных работ на перекатах, где сохраняется естественное незначительное загрязнение донного грунта.
4.1.2. Исследования гидрологического
и руслового режимов судоходных рек
Развитием теории руслообразования и изучением движения потока на перекатах издавна занимались многие отечественные инженеры и ученые [Лохтин, 1948; Маккавеев, 1955; Ржаницын, 1985]. Исследования сезонных деформаций перекатов [Россинский и др., 1950; Шамов, 1959; Гришанин, 1976], создание и развитие гидроморфологической теории руслового процесса [Кондратьев, 1959; Попов, 1969; Кондратьев и др., 1982] и становление русловедения [Чалов, 2008, 2011], позволили существенным образом улучшить практику проектирования путевых мероприятий на свободных реках.
Вместе с тем, специальные экспериментальные исследования движения потока в судоходной прорези проводились в ограниченных объемах. Здесь следует упомянуть работы С. Лелявского [1961], а также результаты исследований, проводимых в натурных и лабораторных условиях институтами воднотранспортного профиля. Наиболее детально физическая картина происходящих изменений может быть проиллюстрирована по данным специальных натурных наблюдений, приведенных в работе Б.Ф. Снищенко [1964]. При этом особое внимание уделялось исследованию грядового сопротивления движению потока и вопросам учета заносимости дноуглубительных прорезей.
Начиная с середины 70-х годов в Санкт- Петербургском государственном университете водных коммуникаций (ЛИВТе) был выполнен целый ряд натурных экспедиционных исследований с целью изучения кинематической структуры речного потока и руслового режима при обеспечении судоходных условий на реках Волга, Дон, Ока, Волхов, Свирь и др., а также на приустьевых участках малых рек в бассейнах Онежского и Ладожского озера; на реке Обь в устьевой области и на ее малых боковых притоках, на реках Надым, Пур и Таз, их притоках и устьевых участках малых рек, впадающих в Обскую и Тазовскую губу.
Кроме этого, был выполнен обширный цикл натурных и лабораторных исследований, посвященных оценке влияния дноуглубительных работ и карьерных разработок руслового аллювия на русловой режим рек Собь, Чулым, Кама, Луга, Северная Двина, Вычегда и Вятка и др., характеризующихся различными типами руслового процесса и различной водностью. Результаты натурных исследований опубликованы в работах [Григорьева, 1980], [Зернова, 1987], [Зиненко и др., 1987], [Николаева, 1989], [Гладкова и др., 2005].
Значительные объемы русловых исследований на судоходных реках были выполнены Московским государственным университетом имени М.В. Ломоносова. В опубликованных материалах [Беркович, Рулева и др., 1996], [Русловые процессы…, 2001], [Чалов, 2008, 2011] и др. приведены сведения о результатах исследований, проведенных на судоходных участках рек Печора, Северная Двина, Вычегда, средняя и нижняя Лена, Енисей ниже г. Красноярска, нижняя Катунь, Алдан, верхняя Обь и др. Эти материалы позволили детально описать процессы, происходящие на затруднительных для судоходства участках, улучшаемых средствами дноуглубления.
Результаты проведенных исследований показали, что выполнение дноуглубительных работ на перекатах приводит к изменению гидравлико-морфометрических характеристик потока и русла. Наиболее существенными из них являются перераспределение расхода воды по ширине русла, уменьшение скоростей течения в полосе судоходной прорези и за ее кромками, перестройка грядового рельефа дна и изменение гидравлического сопротивления русла. Эти изменения приводят к уполаживанию уклона свободной поверхности и снижению уровня воды на перекате.
Обработка результатов многолетних натурных наблюдений на судоходных реках позволила в последующем собрать и систематизировать материалы экспедиционных исследований на целом ряде крупнейших рек России и отдельных республик бывшего СССР за последние 30-40 лет. Кроме этого, были собраны данные лабораторных экспериментов, связанных с исследованиями влияния дноуглубительных прорезей, отвалов грунта и русловых карьеров на уровенный и русловой режимы рек.
Эти материалы включают в себя русловые съемки при различных уровнях воды, сведения о расходах воды и скоростях течения на гидростворах, данные об уклонах свободной поверхности, составе донных отложений, расходах влекомых и взвешенных наносов, а также результаты наблюдений за донными грядами, береговыми деформациями, волновыми явлениями и т.п. К настоящему времени данные материалы натурных и лабораторных исследований представляют исключительную ценность для проведения новых исследований и выполнения проектных проработок при решении практических задач на судоходных реках.
В результате проведения обширного комплекса натурных, лабораторных и теоретических исследований Санкт- Петербургским государственным университетом водных коммуникаций (ЛИВТом) были получены методические и расчетные рекомендации, необходимые для инженерного обоснования и проектирования всего комплекса путевых мероприятий на судоходных реках [Руководство…, 1992]. Основные теоретические результаты, полученные при создании данного расчетного обоснования, заключаются в следующем.
В результате выполненных исследований были разработаны методы решения двумерных уравнений гидравлики. В частности, получен метод построения планов течений на участках отрыва потока от берегов, учитывающий достижения теории турбулентных струй, и метод построения плана течений на перекатах со сложным рельефом дна [Селезнев и др., 1976].
В настоящее время, в связи с интенсивным развитием средств вычислительной техники, широкое применение на практике получили численные методы вычислений, позволяющие качественно и с высокой степенью дискретизации решать уравнения речной гидравлики в одномерной, плановой и трехмерной постановках.
В результате исследований гидравлических сопротивлений в естественных песчаных руслах с подвижными донными отложениями, был получен ряд новых расчетных зависимостей для определения коэффициента Шези в условиях равномерного и неравномерного движения потока [Гришанин, 1984, 1992; Гришанин и др., 1989; Гладков, 1984, 1994; Гладков и др., 2005]. Установлены также новые расчетные формулы для вычисления коэффициента Шези в реках с гравелисто-галечным руслом.
Эти данные позволили, с одной стороны улучшить понимание физической природы естественных русловых процессов, протекающих в реках с подвижным дном, в том числе с учетом инженерного вмешательства в русловой процесс, с другой – существенно повысить надежность гидравлических расчетов, выполняемых при проектировании путевых мероприятий на судоходных реках.
В путейской практике важное значение имеют вопросы повышения качества проектирования капитальных и эксплуатационных дноуглубительных прорезей на реках и возможные пути снижения объемов ремонтного землечерпания. В этой связи, в натурных и лабораторных условиях были исследованы процессы заносимости дноуглубительных прорезей на судоходных реках, что позволило разработать математические модели для описания их заносимости на прямолинейных и извилистых участках рек [Гришанин и др., 1987; Журавлев, 1988]. Эти результаты позволили разработать рекомендации по снижению заносимости эксплуатационных прорезей на судоходных реках и улучшить практику их проектирования.
Надежность составления русловых прогнозов в естественных условиях, а также на судоходных реках в зоне влияния инженерных мероприятий, в значительной степени зависит от качества оценки неразмывающих (критических) скоростей течения. Для решения этих вопросов был выполнен обширный цикл натурных и лабораторных исследований. На основании полученных результатов были разработаны новые зависимости, позволяющие рассчитать распределение действующих и неразмывающих скоростей течения на береговых откосах рек и каналов и оценить устойчивость берегов, сложенных несвязными и связными грунтами к воздействию течения и судовых волн [Николаев, 1989].
Другим фактором, определяющим качество русловых прогнозов в реках, является достоверность определения расчетным путем величины расхода русловых наносов. В натурных условиях и аналитическими методами были исследованы характеристики движения наносов в реках с несвязными донными отложениями и получены новые формулы для вычисления расхода наносов и расчетные рекомендации для моделирования транспорта разнозернистых наносов в реках [Гришанин, 1974, 1979; Гладков, 1996, 2000; Гладков и др., 2005].
В течение длительного времени проводились натурные экспедиционные исследования в районах газонефтедобычи на северных реках. Это позволило при решении практических задач по обеспечению судоходных условий собрать и систематизировать обширный материал, характеризующий специфику протекания русловых процессов на реках с сезонной промерзаемостью русловых форм. В результате выполнения исследований русловых переформирований в реках, протекающих в северных районах, были получены расчетные зависимости для составления прогноза русловых деформаций в суровых климатических условиях [Зернов, 1987].
Значительный объем натурных и лабораторных исследований был выполнен с целью изучения характеристик движения воды и условий транспорта наносов в зоне влияния русловых карьеров на судоходных реках. Анализ полученных данных по карьерам нерудных строительных материалов в руслах рек позволил разработать основы их проектирования и расчета [Руководство…, 1987; Гладков и др., 2005].
Эти результаты нашли отражение при разработке способов учета руслового процесса при использовании водных объектов для разведки и добычи нерудных строительных материалов и в рекомендациях по проектированию русловых карьеров, которые изложены в Стандарте организации СТО ФГБУ «ГГИ» “Учет руслового процесса… ”, [2011].
Проведенные теоретические, лабораторные и натурные исследования гидрологического и руслового режимов судоходных рек, улучшаемых средствами дноуглубления и выправления, и разработанное расчетное обоснование основных задач, возникающих при проектировании путевых мероприятий, позволяют надежно решать следующие практические задачи.
1. Проведение натурных и теоретических исследований гидрологического и руслового режимов рек и судоходных каналов. Гидролого-морфологическая оценка руслового режима судоходных рек.
2. Разработка схемы транспортного освоения, включая расчеты оптимальных габаритов судоходного хода и предельно допустимых судоходных глубин с учетом экологическим особенностей.
3. Экспериментальные и теоретические исследования по вопросам коренного улучшения судоходных условий и выправления русел рек. Составление проектов обеспечения и коренного улучшения судоходных условий на внутренних водных путях.
4. Расчетное обоснование путевых мероприятий на судоходных реках. Прогнозирование русловых деформаций и устойчивости дноуглубительных прорезей.
5. Исследование и оценка устойчивости береговых откосов рек и каналов. Проектирование берегоукрепительных и выправительных сооружений с учетом воздействия течения и судовых волн.
6. Проектирование (обоснование местоположения и размеров) русловых подводных карьеров по добыче нерудных строительных материалов с учетом природоохранных мероприятий. Оценка воздействия инженерных мероприятий на гидрологический и русловой режимы судоходных рек.
4.1.3. Оценка влияния дноуглубительных работ
на уровенный режим реки
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 963; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!