CC BY
160
— инженерные изыскания на участке, в том числе топографо-геодезические и гидрографические работы, инженерно-геологические, инженерно-экологические и инженерногидрологические работы;
— изучение гидравлики речного потока с выполнением гидравлического (физического) моделирования в лабораторных условиях и математического моделирования в компьютерной моделирующей системе (Ленгипроре-чтранс, рис. 3).
В результате было предложено осуществить спрямление русла путем устройства (см. рис. 4):
— спрямляющего канала, средней шириной 200 м и глубиной до 13 м на левобережной пойме северной излучины;
— подводной прорези, шириной 200 м и глубиной до 2 м в протоке Самаровская на безопасном расстоянии от причалов речного порта.
В связи со значительными объемами земляных работ при устройстве указанных сооружений весьма важным вопросом исследования был вопрос размещения отвалов извлекаемого грунта.
Были рассмотрены два варианта размещения отвалов грунта:
— транспортировка грунта на правобережную пойму — перспективную городскую территорию, с выведением поверхности отвала грунта на незатопляемую отметку;
— расположение грунта на левобережной пойме по обе стороны спрямляющего канала.
Наиболее привлекательным с точки зрения развития г. Ханты-Мансийска, но и весьма затратным является первый вариант размещения отвалов грунта.
Выполненная оценка гидравлического эффекта инженерных мероприятий по спрямлению р. Иртыш показала, что устройства только спрямляющего канала и водопропускной прорези недостаточно для снижения темпов развития северной излучины и размыва ее правого прижимного берега, поэтому было рекомендовано наряду с мероприятиями по спрямлению выполнить работы по укреплению размываемого берега северной излучины, при этом показаны техническая возможность и экономическая целесообразность выполнения берегоукрепительных работ.
УДК 647.627: 641.8 О. И. Гончаров,
Волго-Балтийское государственное бассейновое управление водных путей и судоходства (Санкт-Петербург)
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЗЕМЛЕЧЕРПАНИЯ И ВОДНОСТИ НАВИГАЦИИ НА ПОДДЕРЖАНИЕ ТРАНЗИТНЫХ ГЛУБИН
THE ANALYSIS OF THE INTENSITY DREDGING WORK AND WATER SUPPLY FOR NAVIGATION FOR MAINTENANCE OF TRANSIT DEPTHS
В статье рассмотрен анализ интенсивности влияния землечерпательных работ на поддержание Ф71 габаритов пути.
The analysis of the intensity dredging work impact at the maintenance of overall waterways dimensions is realized.
Ключевые слова: землечерпание, судоходные глубины, гидроузел, регулирование стока.
Key words: dredging, navigation depths, waterworks facilities, flow regulation.
Выпуск 2
Выпуск 2
1. Судоходные условия в нижних бьефах гидроэлектростанций
Общие закономерности переформирований русел рек в нижних бьефах гидроэлектростанций, обусловленные изменением режима речного стока, к настоящему времени изучены недостаточно полно. Продолжают сохраняться трудности в количественном прогнозе деформаций русла для учета их при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений. Это объясняется тем, что на русловые процессы, определяемые режимом стока, оказывают влияние интенсивные дноуглубительные работы на перекатах для улучшения судоходного состояния участка, а также русловая добыча песчано-гравийных материалов для строительной индустрии.
Отсутствие надежного долговременного прогноза деформаций русла нередко снижает эффективность работы гидротехнических сооружений или создает предпосылку их разрушения. Исследования руслового режима нижних бьефов в многолетнем разрезе продолжают оставаться актуальными, способствуют накоплению данных для использования в практике гидротехнического строительства.
Характер и интенсивность деформаций русла в нижних бъефах гидроэлектростанций в определенной мере зависят от присущего конкретной реке или ее участку типа русла и факторов, воздействующих на русловые процессы.
С созданием водохранилища и перераспределением стока реки во времени происходит увеличение меженных расходов воды, способствующее в перспективе долговременному меженному повышению уровня воды в нижнем бьефе. Транзитные глубины судового хода должны увеличиваться. Долговременное повышение уровней воды вызывает некоторый рост отметок гребней перекатов. Постепенная глубинная эрозия русла — это повышение уровня и первоначально достигнутое увеличение транзитных глубин судового хода нейтрализацией.
Образование на равнинной реке протяженного участка с увеличенными глубинами в верхнем бьефе (водохранилище) побуждает работников производства к «выравниванию»
транзитных глубин, то есть к увеличению глубин и на участке нижнего бьефа. Это может быть обеспечено путем интенсификации дноуглубительных работ в нижнем бьефе. Достигнутое увеличение глубин судового хода в нижнем бьефе сопровождается определенной посадкой уровня воды. На эту ситуацию накладываются дополнительные факторы — интенсивная добыча песчано-гравийных материалов и вызванная этим посадка уровня воды. Данные обстоятельства предопределяют общий характер развития деформаций русла на участках нижних бьефов большинства ГЭС на равнинных реках.
Строительство комплексных транспортно-энергетических гидроузлов на судоходных реках России коренным образом меняет условия судоходства и производства путевых работ. В результате образования крупных водохранилищ выше гидроузлов создаются большие по протяженности глубоководные участки, на которых почти полностью отпадает необходимость в дноуглубительных работах. Землечерпание как мера поддержания судоходных глубин сохраняется в зоне выклинивания подпора и на подходах к портам, пристаням, судоремонтным заводам, предприятиям речного транспорта, расположенным в районе водохранилищ.
При большой емкости водохранилища, позволяющей осуществлять многолетнее, годичное или сезонное регулирование, происходит выравнивание внутригодового стока ниже ГЭС, снижение паводка и увеличение среднесуточных расходов в меженный период по сравнению с бытовыми расходами.
Положительное значение такого регулирования для водного транспорта заключается в уменьшении заносимости перекатов при прохождении весеннего паводка и увеличении глубин в меженный период.
Наряду с основным видом регулирования водохранилища гидроэлектростанций осуществляют дополнительно суточное и недельное регулирование, обусловленное неравномерностью нагрузки ГЭС в течение суток (недели), при котором периодически в часы пик нагрузки в нижний бьеф сбрасываются повышенные расходы воды. Нарастание расходов в нижнем бьефе распространяется вниз
по течению в виде попуска, вызывая большие колебания уровней воды, увеличение продольных уклонов и скоростей течения. В результате на значительном протяжении ниже ГЭС происходят интенсивные русловые переформирования, отмечается повышенная заносимость судовых ходов на перекатах, и возрастает объем землечерпания.
Недостаточная эффективность проводимых путевых работ, в частности значительное увеличение объема землечерпания для обеспечения нормированных глубин, объясняется интенсивными русловыми переформированиями и слабой изученностью руслового процесса в условиях неустановившегося режима.
Исследование процесса взаимодействия нестационарного потока ниже гидроузлов с речным руслом имеет большое практическое значение для речного транспорта, поскольку непосредственно связано с задачей увеличения габаритов пути и улучшения судоходных условий. Несмотря на то что режимом нижнего бьефа ГЭС занимались многие исследователи, очень важный для транспортной гидротехники вопрос о режиме русла и перекатов при суточном регулировании остается недостаточно изученным.
Русловой процесс ниже гидростанций изменяется по сравнению с бытовым режимом под действием трех основных факторов: изменения величины среднесуточных расходов воды, изменения режима твердого стока, внутрисуточных и недельных колебаний — в зоне с неустановившимся движением, где действуют указанные факторы, русловой процесс значительно интенсифицируется, что проявляется в усилении процесса размыва берегов и переформировании перекатов. В первые годы после пуска ГЭС резко увеличивается объем землечерпания и повторность работ.
Большая повторность землечерпательных работ на перекатах, близко расположенных к плотине, показывает, что основным фактором, определяющим ход переформирований перекатных участков, является не характер весеннего паводка, а режим попусков суточного регулирования.
Анализ большого числа русловых съемок перекатов, расположенных в нижних бьефах ГЭС, показал, что во всех случаях, когда
в интервале между съемками землечерпательные работы на перекате не производились и период этот был достаточно продолжительным, наблюдается намыв гребней с одновременным смещением их вниз по течению.
Явление намыва гребней перекатов ниже гидроузлов отчетливо проявляется при наличии подпора в нижнем бьефе, когда судоходная глубина на перекатах обеспечивается без землечерпательных работ. В этих условиях режим перекатов будет определяться ходом руслового процесса, без влияния землечерпания, как это имеет место в бесподпорных условиях. Намыв перекатов происходит в пределах участка ограниченной длины — порядка 25-30 км, на котором и в условиях подпора наблюдаются значительные суточные колебания уровней и сохраняется неустановившийся режим течения.
Кроме значительного воздействия суточного регулирования, существенное влияние на ход руслового процесса оказывает явление разделения и слияния потоков. Неус-тановившийся режим этого участка особенно осложняется волновыми явлениями, возникающими в результате сбросов в канал больших объемов воды при шлюзовании. Периодически проходящие при суточном регулировании мощности гидростанции волны попусков с большими расходами воды воздействуют на русло реки подобно весеннему паводку.
Выполненный анализ обеспечения меженных транзитных глубин судовых ходов бассейнов северных рек за период с 1970 по 1993 г. показал, что интенсивное землечерпание непосредственно и устойчиво поддерживает среднее приращение глубин судовых ходов относительно естественно-бытовых. На средние величины меженных глубин накладываются гармонические колебания циклических гидрологических изменений относительно среднемеженного и проектного уровней воды с утвержденной многолетней обеспеченностью.
Анализ отчетных данных выявил следующие факторы для организации путевых работ:
— на состояние транзитных глубин на плес совместное влияние оказывают интенсивность землечерпания и водность навигации;
Выпуск 2
Выпуск 2
— в маловодные навигации регулирующее воздействие на поток выправительных сооружений недостаточно и глубины поддерживаются менее гарантированных. Этот недостаток относится к сооружениям весеннего регулирования;
— резкое уменьшение объемов землечерпания может значительно и незамедлительно повлиять на состояние транзитных глубин, на малых реках эффект дноуглубления сохраняется дольше;
— форсированное увеличение объемов землечерпания приводит к излишнему врезанию в русло и посадке меженных уровней воды, что снижает эффект приращения глубин судового хода;
— за счет равномерного питания рек на болотистой местности в меженные периоды обеспечиваются землечерпанием относительно устойчивые транзитные глубины;
— в общем случае за последние 20 лет однонаправленного понижения уровней воды при систематическом землечерпании на реках не выявлено. Изменения транзитных глубин синхронно следуют за гармониками колебаний уровней воды;
«Понижение водности» и «посадка уровней воды» имеют различные причины происхождения. Первое обусловлено гидрологическими причинами, а второе — гидравлическими вследствие изменения сопротивления русла движению потока (срезка гребней перекатов, удаление русловых образований).
При повышении габаритных размеров судового хода объемы дноуглубления возрастают в степенной зависимости.
Способ технико-экономического обоснования глубин судового хода по приведенным затратам на транспортный флот и водные пути сводится к отысканию расчетной глубины, соответствующей наименьшим затратам — нижней экстремальной точке кривой суммарных затрат на флот и путь.
Технически эту расчетную глубину называют «оптимальной», хотя она является всего лишь наивыгоднейшей по приведенным затратам. Учет вариаций по интенсивности движения транспортного флота оставляет ее таковой. При этом затраты на флот считают неизменными. Все обоснование замкнуто на
определение приведенных затрат как функции от переменной глубины.
Расчетная глубина судового хода не должна превышать глубину, возможную по гидравлико-морфометрическим условиям.
Это ограничение не введено в методику обоснования габаритных размеров судового хода. Такое технико-экономическое обоснование следует рассматривать как вариант прогнозирования в первом приближении. Оно предполагает неограниченную мощность землечерпательного парка и широкий выбор типа транспортного судна и их количества, что сдерживается затруднениями в судостроении. Актуальной стала проблема оптимального соотношения габаритных размеров судового хода и главных размеров поперечного сечения русла в условиях динамического равновесия профиля, то есть развитие гидравлико-мор-фометрического способа обоснования максимально возможных судоходных глубин.
Вопрос о максимально возможных судоходных глубинах был поставлен Х. М. Полиным. В 1960-х гг. решение этого вопроса было предложено Н. А. Ржаницыным и Е. К. Раб-ковой. Был разработан приближенный метод расчета максимально возможных судоходных глубин. В основу метода положены следующие характеристики речного потока:
— показатель плеса, характеризующий степень устойчивости русла (Кп);
— показатель формы русла, заимствованный из работ НИИВТа и представленный в виде коэффициента полноты сечения (Ь = Т /Т );
4 ср. макс/’
— показатель относительной ширины судового хода в виде В = Ьсх/В, тоже широко применяемый в расчетах землечерпательных прорезей и выправительных сооружений;
— морфометрический показатель плесовых лощин в виде преобладающей на них максимальной глубины Т .
*/ пл. макс
Крупные водохранилища, создаваемые на реках со значительным среднегодовым стоком воды, используются для решения комплекса энергетических, мелиоративных, водно-транспортных и других задач. Несмотря на возникающие противоречия между отдельными отраслями народного хозяйства в использовании водных ресурсов рек, основная цель
регулирования стока рек едина. Она заключается в накоплении паводкового стока рек для его последующего рационального расходования. В современных условиях создание крупных водохранилищ только с какой-нибудь одной целью, без комплексного решения других немыслимо. Поэтому сущность изменений режима стока воды в нижних бьефах всех крупных водохранилищ аналогична.
Изменение режима стока воды оказывается достаточно большим не только непосредственно в нижнем бьефе гидроузла, но и в значительном удалении от последнего, и даже ниже впадения крупных притоков. На водохранилищах с малой степенью зарегулирования (например, Горьковском) изменения режима стока невелики, но качественно аналогичны.
Изменение расходов воды является важнейшей гидрологической особенностью зарегулированной реки, обусловливающей изменение ее режима в целом. На участках рек выше впадения крупных притоков изменение режима стока еще более ощутимо. Обращает на себя внимание также значительное возрастание расходов воды зимнего периода из-за увеличения нагрузки ГЭС.
В нижних бьефах водохранилищ сезонного регулирования возрастание зимнего расхода больше. В противоположность этому на водохранилищах суточного регулирования зимний расход возрастает в среднем всего в 1-2 раза. В отдельных случаях летний расход не возрастает, а полезная емкость водохранилища преимущественно срабатывается только в зимний период. Особенностью режима стока воды в нижнем бьефе большинства гидроузлов является регулирование его в течение суток и недели.
Исследования, проведенные Днепровским и Волжским бассейновыми управлениями в нижних бьефах ГЭС, показывают, что неравномерность расходов воды в течение суток по мере удаления от створа плотины сначала быстро уменьшается, а затем выравнивание расходов воды замедляется, и волны суточного колебания расхода с малой амплитудой распространяются на расстояние в несколько сот километров, образуя зону неустановивше-гося движения потока.
Зона неустановившегося движения потока тем длиннее, чем больше абсолютная разность величин максимального и минимального попускового расхода воды и продолжительность их поступления в течение суток.
Определяющим является режим движения перемещающейся по бьефу волны попуска, которая обусловливает переменные по длине участка и времени суток глубины судового хода. Важными факторами являются возможные деформации русла вследствие зарегулированности стока, которые приводят к изменению суточного графика колебания уровней воды и негативно отражаются на судоходстве. Проблемы режима судоходства в нижних бьефах ГЭС с точки зрения влияния на него русловых процессов и глубинной эрозии являются не до конца изученными.
Одним из важнейших техногенных факторов, влияющих на формирование русла после создания гидроузлов, является воздействие дноуглубительных и карьерных работ. Значительные объемы добычи нерудных строительных материалов (НСМ), особенно в зоне влияния суточного регулирования ГЭС, приводят к увеличению общей посадки уровня воды. Интенсивность роста объемов проводимых транзитных дноуглубительных работ определяется направленностью русловых деформаций и обусловлена стремлением увеличить транзитную судоходную глубину на протяженном участке «водохранилище-ниж-ний бьеф».
Современное состояние теории и практики русловой гидротехники позволяет дать достаточно обоснованное теоретическое объяснение сущности изменения характера русловых процессов на реках после зарегулирования их стока крупными водохранилищами. Ряд существенных факторов, предопределенных долговременным характером процесса перестройки русла, и закономерности последующих его деформаций продолжают оставаться недостаточно исследованными. Отсутствуют четкие обоснования по оптимизации режима судоходства при нестабильных в течение суток глубинах.
Комплексные гидроузлы на реках оказывают большое влияние на судоходное состояние естественных водных путей. С вво-
Выпуск 2
Выпуск 2
дом в эксплуатацию гидроузлов, регулирующих речной сток, создаются новый водный и русловой режимы; меняется интенсивность и характер русловых процессов. Основные закономерности руслового режима крупных гидроузлов были охарактеризованы следующими стадиями.
В первой стадии отмечается интенсивный локальный размыв русла на нескольких километрах ниже рисбермы плотины — при-плотинном участке, в результате чего быстро образуется «глубокая яма». Продукты эрозии при этом нередко образуют в некотором удалении от плотины мощные скопления наносов. Причиной этого является изменение транспортирующей способности потока по длине. Все это вызывает местный подпор потока и временное (на несколько лет) повыше -ние уровня воды.
На второй стадии процесса подъем уровня воды сменяется его посадкой, возникающей из-за глубинной эрозии и трансформации живого сечения реки. Начиная с этой стадии главным фактором развития эрозии на значительном протяжении нижнего бьефа является насыщение осветленного водохранилищем потока твердыми частицами за счет размыва ложа дна реки.
На третьей стадии основным фактором снижения уровней является глубинная эрозия, зона действия которой постепенно удлиняется и охватывает все более значительное пространство вниз по течению.
Четвертая стадия — конечная стадия процесса — характеризуется относительной стабилизацией продольного профиля и форм поперечного сечения русла.
Учет приведенной классификации важен при проектировании и строительстве в нижних бьефах гидросооружений и других объектов. Данная схема деформаций русла реки не учитывает накладывающееся на нее влияние интенсифицированных дноуглубительных и карьерных работ.
Методом организации судоходства в условиях переменных глубин является паузка судов перед прохождением лимитирующего участка и последующая догрузка на выходе. Однако организация паузки и догрузка эффективны, когда эксплуатационные затраты
на освоение грузопотока с использованием паузки судов не превышают эксплуатационные затраты на освоение грузопотока без паузки. В нижнем бьефе Нижегородской ГЭС применение подобного метода привело также к существенным потерям судоходных компаний от неполного использования грузоподъемности судов.
За время эксплуатации Нижегородской ГЭС предполагался ряд инженерно-технических мероприятий с целью улучшения условий судоходства. При этом ряду организаций (ВГАВТ, Гипроречтранс) было предложено несколько вариантов стабилизации русла. Однако ввиду сложности практического осуществления ни один из них не был применен. В результате стабилизации русла в нижнем бьефе Нижегородской ГЭС явилась следствием естественного хода русловых процессов.
На основе анализа зарубежного и отечественного опыта организации судоходства в нижних бьефах ГЭС было введено два понятия, определяющих характер стабилизации русла реки вследствие зарегулированности стока: естественная и искусственная стабилизация русла.
Первая характеризуется естественными условиями протекания русловых процессов, когда характер и интенсивность деформаций русла определяются только природными факторами и работой ГЭС. Длительность ее может составлять от 50 до 100-200 лет. Закономерности русловых деформаций в этом случае описаны Н. И. Маккавеевым и Б. Г. Федоровым. Искусственная же стабилизация русла возможна при активном вмешательстве человека в процесс русловых переформирований. Продолжительность ее гораздо меньше и зависит от применяемых методов и конкретных условий.
Достоверный и долговременный прогноз деформации русла при проектировании гидроузлов необходим для обеспечения условий нормальной эксплуатации как самого гидроузла, так и водных путей и инженерных сооружений на участке нижнего бьефа.
Одной из первоочередных задач по совершенствованию организации судоходства является увеличение пропускной способности водных путей. При этом важно выявле-
ние и прогнозирование резервов времени для прохождения судами участка нижнего бьефа с учетом особенностей гидрологического режима нижних бьефов гидроузлов.
При проектировании гидроузла обязательным является прогноз трансформации русла в нижнем бьефе ГЭС, и в первую очередь прогноз понижения уровня воды. В процессе эксплуатации гидроузла в результате влияния техногенных факторов возможно отклонение от запроектированных значений ввиду неуч-тенности местных особенностей и в том числе вследствие добычи НСМ. На данный момент нет достоверной оценки доли посадки уровня воды, приходящеейся на русловые процессы, и доли, приходящейся на карьерные разработки.
2. Исследования неустановившегося движения воды на реке Свирь
Для создания новых методов расчета неустановившегося движения, а также усовершенствования существующих необходимо располагать натурными материалами, которые бы достаточно полно и всесторонне характеризовали это сложное явление. Однако натурные материалы по исследованию волн попусков малочисленны и не освещают всего многообразия морфологических особенностей, учет которых зачастую необходим при производстве расчетов.
Исходя из этих соображений, Государственным гидрологическим институтом при участии Центрального института прогнозов на реках Тверце и Оредеж был проведен полевой эксперимент по изучению распространения волн попусков, в котором главное внимание было обращено на изучение влияния усложняющих обстоятельств. Результаты исследований изложены в монографии под редакцией Н. Е. Кондратьева и В. А. Урываева.
Наименее изученным до настоящего времени остается вопрос о распространении волн попусков в зимних условиях. В этом случае гидродинамическая задача еще усложняется наличием ледяного покрова, который обладает в разных условиях его существования различными свойствами и, следовательно, оказывает различное сопротивление потоку.
Явление становится еще более сложным при наличии шуги и связанных с нею зажоров.
На необходимость натурных исследований неустановившегося движения воды в зимних условиях не раз указывалось в решениях межведомственных совещаний, в частности Совещания по проблеме неустановившегося движения воды, организованного Научнотехническим советом Главного управления гидрометеорологической службы.
Крайняя недостаточность натурных материалов по изучению волн попусков в зимних условиях в значительной мере тормозит создание новых и совершенствование существующих методов расчета неустановившего-ся движения воды при наличии льда.
Указанные обстоятельства послужили основанием для постановки Государственным гидрологическим институтом полевых исследований волн попусков в зимних условиях в нижнем бьефе Нижнесвирской ГЭС.
Для более наглядного выявления особенностей в характере распространения волн попусков, обусловленных наличием ледяного покрова, было признано целесообразным повторить наблюдения и при открытом русле на том же объекте, при том же графике попусков.
Река Свирь в пределах участка — от Нижнесвирской ГЭС до впадения р. Шотку-сы, протяжением 59,1 км — имеет русло правильной корытообразной формы, ограниченное почти на всем участке незатопляемыми берегами. Несколько впадающих в пределах участка притоков несут весьма малый расход воды по сравнению с расходом самой Свири, так что исследуемый участок может считаться практически бесприточным. Хорошая топографическая изученность реки исключала необходимость проведения специальных съемочных работ.
Схемой развития водных путей ВолгоБалтийского водного пути на период до 2015 г. предусмотрено обеспечить транзитные гарантированные габариты судового хода на уровне: глубина — 4,5 м; ширина — 90 м (на криволинейных участках до 120 м); минимальный радиус закругления — 800 м. Путевые работы по повышению гарантированных габаритов являются основной частью комплекса мероприятий, направленных на увеличение про-
Выпуск 2
Выпуск 2
пускной способности этой магистрали. Недостаточные габариты пути приводят к тому, что сейчас на реке Свирь имеются лимитирующие судоходство участки — с односторонним движением, с ограничением скоростей хода одиночных судов и встречных судов при расхождении. Это отрицательно сказывается на эксплуатационных показателях использования флота.
Капитальные работы по достижению установленных на перспективу гарантированных габаритов производятся на отдельных участках поэтапно.
При существующих гарантированных габаритах пути на участке реки Нижняя Свирь действуют ограничения режима движения флота. С завершением работ по коренному улучшению участка реки ограничение скоростей хода будет снято. Сократится время прохождения участка судами и составами, что повысит их провозную способность, снизит эксплуатационные расходы по перевозкам и капиталовложения во флот на расчетный объем перевозок.
Для оценки экономической эффективности улучшения судоходных условий на участке выполняются расчеты и сопоставление суммарных затрат по путевым работам и транспортному флоту по двум вариантам: базовому и проектному. При базовом варианте гарантированные габариты судового хода остаются на современном уровне, их поддержание осуществляется эксплуатационными дноуглубительными работами; сохраняются предусмотренные правилами судоходства ограничения и суда проходят участок реки Нижняя Свирь с минимально допустимыми скоростями. При проектном варианте производятся капитальные работы по увеличению габаритов судового хода, вследствие чего лимитирующие судоходство факторы исключаются. Транспортный флот проходит участок с расчетными техническими скоростями.
Берега реки Свирь в ее нижнем течении интенсивно разрушаются, особенно в последние годы. Общий объем разрушений составляет около 40 погонных километров. Вопрос берегоукрепления требует неотложного решения и может быть решен за счет средств из
централизованного российского фонда на экологические мероприятия.
ГБУ «Волго-Балт» имеет богатый опыт производства берегоукрепительных работ на Водораздельном канале — закреплено более 45 км откосов. Тип крепления — каменный банкет в урезной зоне пляжного откоса зарекомендовал себя положительно. Крепление надежно, не теряет защитных свойств при деформациях откоса, стремится к самостабилизации, легко поддается ремонту при эксплуатации.
Факторы, влияющие на процесс разрушения берегов, носят естественный и антропогенный характер. Рассматриваемый участок реки Свирь находится в нижнем бьефе Нижнесвирской ГЭС, в зоне неустановивше-гося водного режима. Суточное и недельное регулирование стока воды Нижнесвирской ГЭС, являющейся пиковой станцией в системе Ленэнерго, вызывает резкие колебания уровней воды. Амплитуда суточных колебаний уровней воды достигает 2,5 м. Недельные колебания — 3,2 м.
Сложная картина колебаний уровней дополняется тем, что на волны попусков ГЭС накладываются волны попусков, создаваемые шлюзованием, и волны, создаваемые аварийным сбросом воды через водосливную плотину. При этом резко изменяются все параметры водного потока: уровни, расходы, скорости течения и уклоны.
Наибольшего значения уклоны достигают в момент заполнения нижнего бьефа после его полного опорожнения в выходные дни, а также ежедневно в утренние часы пик. Скорости течения в нижнем бьефе при этом значительно превышают размывающие, особенно в непосредственной близости от ГЭС. Это приводит к значительному размыву берегов в широком диапазоне изменений уровней. По данным исследований кафедры водных путей и водных изысканий ЛИВТа, выполненных на нижней Свири в 1978 г., ее неустановивший-ся водный режим является одной из главных причин постоянного размыва берегов.
Через ГЭС из водохранилища проходит осветленный поток, обладающий повышенной транспортирующей способностью. Это оказывает размывающее воздействие на все русло и, в частности, на берега.
К числу других факторов разрушения берегов относятся ледовые явления, которым присущ в нижнем бьефе сложный характер: образование и разрушение ледовых полей под воздействием попусков, частые ледоходы при резком колебании уровней, заторные явления и образование шуги.
Естественным фактором является воздействие потока на вогнутые берега. На поворотных участках образуются винтовые течения и скорости нисходящих вдоль вогнутых берегов течений складываются со скоростями продольных течений, что приводит к глубинной эрозии берегов с последующим их обрушением.
Одним из антропогенных факторов является судовая волна, воздействующая на берега, но этот фактор носит периодический характер и не является преобладающим, так как скорость движения судов ограничена местными правилами плавания.
Сочетание всех этих факторов выдвигает требование создания берегоукрепительных сооружений с предварительными исследованиями и экспертизой проектов.
Основной причиной заносимости прорезей на нижней Свири является воздействие на различные элементы русла судовых волн в широком диапазоне колебания уровней.
Судовые волны разрушают берега, по-бочни, отвалы грунта, вызывают оползание кромок прорезей. Волны попуска обусловливают значительное колебание уровней и значительно расширяют зону воздействия судовых волн. Если эта зона находится выше переката, то частицы грунта разрушенных элементов русла перемещаются течением реки на перекат и откладываются на нем в результате уменьшения транспортирующей способности потока на перекате.
На перекате Лодейное Поле заноси-мость можно объяснить уменьшением транспортирующей способности потока из-за наличия подпора уровня от нижерасположенного довольно крутого поворота русла. Донные скорости на подходе к повороту уменьшаются быстрее поверхностных, что способствует отложению наносов и росту подводных кос правобережного побочня, снижая глубины в районе судового хода.
Регулярное дноуглубление, проводимое на перекате, разрешает проблему судоходства на этом участке лишь на короткий срок, так как отвал укладывается на тот же правобережный побочень и вскоре снова частично сносится течением в прорезь.
Положение с заносимостью переката усугубляется воздействием судовых волн. Судовой ход проходит в непосредственной близости от побочня и укладываемого на него отвала грунта.
Судовые волны очень быстро размывают эти элементы русла и участок берега выше переката и сносят частицы грунта в прорезь.
Все это приводит к ежегодным повторным дноуглубительным работам на перекате Лодейное Поле, который считается самым сложным на нижней Свири.
На Свирских Мелях причиной заноси-мости переката является понижение транспортирующей способности потока в результате уменьшения скоростей на уширении русла, а также перемещение в прорезь песков побоч-ня и отвалов грунта.
На перекате Свирские Мели влияние судовой волны на заносимость судоходной прорези является преобладающим. Здесь нет ярко выраженного поперечного перемещения частиц грунта самим потоком, так как участок прямолинеен и нет резких изменений рельефа дна.
Заносимость прорези происходит за счет вызванного судовой волной поперечного течения и оползания подводных кромок прорези. Размыв берегов на перекате и выше него происходит интенсивней и, следовательно, больше твердого материала поступает на перекат.
Процесс заносимости прорезей можно характеризовать следующей последовательностью хода руслового процесса:
— размыв берегов, побочней и отвалов грунта в результате воздействия судовой волны и волны попуска;
— поперечное перемещение частиц размытого грунта в сторону судового хода под действием откатывающихся судовых волн;
— перемещение влекомых наносов транзитным потоком при прохождении волны попуска;
Выпуск 2
— отложение наносов на нижележащих перекатах в результате потери транспортирующей способности потока.
Анализ перекатов Лодейное Поле и Свирские Мели показывает, что за последние 17 лет на перекатах произошли значительные изменения.
На перекате Лодейное Поле емкость русла увеличилась на 25 %, произошел повсеместный размыв берегов, а максимальный размыв ведущего берега составил 20-25 м, при высоте бровки 4-6 м.
На перекате Свирские Мели емкость русла увеличилась на 29 %, размыв берегов также произошел почти повсеместно и составил 25-30 м.
Увеличение емкости русла объясняется повышенной взвешивающей и транспортирующей способностью осветленной воды из водохранилища. Значительную часть в увеличении емкости русла составляет и проведение регулярного ежегодного дноуглубления на перекатах и повышение гарантированных габаритов пути. На долю этих факторов приходится порядка 10 % увеличения емкости русла.
Емкость русла на перекатах увеличивается в среднем на 1,5-1,7 % в год, из них 0,6 % приходится на дноуглубление. Размыв берегов составляет 0,5-1,0 м/год, доходя местами до 2 м/год.
Учитывая характер грунтов, слагающих
перекаты и берега, а это суглинки и супеси с включением валунов, необходимо сказать, что скорость деформаций русла выше ожидаемой. Значительное увеличение емкости русла и интенсивные русловые переформирования происходили в нижнем бьефе гидроузла только в первые годы после его возведения, а в дальнейшем этот процесс стабилизировался и русло с зарегулированным стоком отличалось большей устойчивостью, чем в бытовых условиях. Нижнесвирская ГЭС сдана в эксплуатацию в 1933 г. и за 74 года русло стабилизировалось.
Если не считать водохозяйственного воздействия человека, то собственные переформирования переката незначительны, перекаты устойчивы и на протяжении многих лет существуют на одних и тех же местах. Донные гряды на перекатах невысокие, перемещаются они со скоростью около 1 м/сут. На перекатах нет каких-либо резких отклонений в направлении и скорости течения.
Наряду с повышенной взвешивающей и транспортирующей способностью, поступающей из водохранилища воды и проводимыми землечерпательными работами должны существовать и другие факторы, обусловливающие значительную деформацию русла.
К этим факторам, вероятно, относятся повышенные скорости потока при волнах попуска ГЭС и судовых волнах.
УДК 627.4 А. М. Гапеев,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
В. В. Кононов],
канд. техн. наук, доцент, СПГУВК
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ ДО ИЗОБРЕТЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТУРБИН USING OF WATER POWER BEFORE THE INVENTION OF HYDRAULIC TURBINES
Рассматривается история использования водной энергии в гидросиловых установках (водяных двигателях) с древних времен до изобретения гидравлических турбин в начале XIX в.
The article considers the history of water power using in hydro-power plants (water-engines) from the ancient times till the invention of hydraulic turbines at the beginning of the XIX century.
