CC BY
10УДК 656.62
А.А. Сазонов, к.т.н., профессор ФГБОУВО «ВГУВТ» М.А. Матюгин, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ХАРАКТЕР РУСЛОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ВОТКИНСКОЙ ГЭС И ИХ ВЛИЯНИЕ НА УСЛОВИЯ СУДОХОДСТВА
Ключевые слова: водные пути, русловые процессы, улучшение судоходных условий.
Авторами рассматривались многолетние деформации на участке нижнего бьефа
Воткинской ГЭС, на основе анализа которого предложены мероприятия по улучшению судоходных условий на данном речном участке.
После ввода Воткинской ГЭС в эксплуатацию на участке нижнего бьефа гидроузла от Чайковского шлюза до Камбарки наблюдались активные русловые процессы, что свойственно для всех нижних бьефов, находящихся в неподпорном состоянии [1]. Особенно активно такие процессы протекают в первые 10-15 лет эксплуатации гидроузла. Затем эти процессы начинают постепенно снижаться и примерно через 2530 лет стабилизируются. Это объясняется тем, что за этот период переформирования русла, в основном, заканчивается. Однако наращивание гребней перекатов продолжается, что связано с переменными колебаниями уровней воды и в первую очередь с суточными и недельными.
Многолетние деформации речного русла состоят в изменении конфигурации береговой линии, переформированиях рельефа русла реки - побочней, кос, осередков, смещении перекатов и изменении их формы и другое, которые происходят под действием движения речного потока, изменения скорости и направления его движения.
Деформации русла реки Кама на участке от Чайковского шлюза до Камбарки (98 км) определялись путем сопоставления планов русловых съемок за период с 1977 по 2015 гг., представленных «Администрацией «Камводпуть».
При этом необходимо отметить, что в первый период эксплуатации Воткинского гидроузла с 1965 до начала 90-х годов на всем протяжении участка нижнего бьефа гидроузла до Камбарки протекали активные русловые процессы, характерные для нижних бьефов, что требовало постоянного производства дноуглубительных работ (рис. 1). В начале 90-х годов эти процессы замедляются с уменьшением объема дноуглубления.
А.А. Сазонов, М.А. Матюгин
Характер русловых деформаций в нижнем бьефе Воткинской ГЭС и их влияние на условия
W, I I с м' 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
П п п п П П п п ПДп „ п IIП П п
ю
(О О)
С0С0Г-~Г-~Г-~Г-~Г~С0С0С0С0С00)0)0)0)0) 0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)
годы
см см см см см
Рис. 1. Диаграмма объема дноуглубительных работ на участке Чайковский шлюз - Камбарка
В то же время можно отметить, что русло реки Камы отличается высокой степенью устойчивости. Поэтому береговая линия меженного русла на участках с крутыми склонами, сложенных из твердых пород, практически не изменилась. Однако в целом площадь русла по нулевой изобате увеличивалась, что подтверждают следующие данные. За период с 2007 по 2011 гг. на участке с 1912 по 1893 км общая площадь русла по нулевой изобате увеличилась на 3,8%. При этом объем меженного русла несколько уменьшился, что говорит о преобладании аккумуляции наносов над размывом на отдельных его участках. Можно также отметить, что на рассматриваемом участке сохраняется общая тенденция русловых процессов при незначительном преобладании аккумуляции наносов над размывом. Обращает на себя внимание и то, что зона аккумуляции наносов постепенно смещается вниз по течению. Поэтому на перекатах Сокольский, Банный, Сивинский, Гольяновский и Макаровский в последний годы проектные судоходные глубины выдерживаются без проведения дноуглубительных работ (рис. 2, 3).
Рис. 2. Диаграмма объема дноуглубительных работ на перекате Банный
¡¡Е тыс.м5
500,0 450,0 400,0 350,0 300,0 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0
ю
СО <Л
О) СО <Л
(Л (Л (Л (Л
со со <л
О)
со <л
годы
со <л <л
О)
<л <л
со о о
О)
о о
П N П N N ГЧ
Рис. 3. Диаграмма объема дноуглубительных работ на перекате Макаровский
Изменение режима и величины стока наносов, формирующих русло, приводит к направленным деформациям русла - врезанию дна. Первоначально врезание развивается вблизи плотины, а затем распространяется вниз по течению. Характер наносов, формирующих дно и берега русла, влияют на распространение врезания. В ситуации, когда дно на большую глубину сложено подвижным материалом, врезание развивается до формирования так называемого стабильного уклона, при котором оно прекращается. Такой уклон стабильного русла составляет 0,000018 для среднего диаметра наносов 1,2 мм. Бытовой уклон на исследуемом участке Камы составлял 0,00005 -0,00006. В настоящее время на 20-километровом участке ниже плотины уклон при проектном уровне меньше или равен уклону стабильного русла. Это может быть признаком того, что врезание здесь достигло предельной глубины. Величина врезания дна у плотины к настоящему времени составляет в среднем около 1,0 м. Полная длина распространения врезания к настоящему времени составляет около 60 км.
На первом этапе вблизи плотины по мере врезания формировался уклон стабильного русла, а врезание распространилось на 15-20 км, что заняло около 25-30 лет. На втором этапе врезание развивалось далее вниз по течению и через 10 лет (к 2000 году) достигла Сининского острова, находящегося в 30 км от плотины, где величина врезания составляет в среднем 0,4-0,6 м.
В то же время представляет интерес рассмотрения того, как протекают русловые процессы на отдельных наиболее деформируемых перекатах, которые проводились по совмещенным планам русловых съемок, представленных Нижне-Камским РВПиС.
Для проведения анализа русловых деформаций принимались перекаты, имеющие наибольшие затруднения для судоходства и наибольший объем дноуглубительных работ. К числу таких перекатов относятся следующие: Паздеринский, Нижнедокшан-ский, Верхненечкинский, Средненечкинский, Нижненечкинский, Пещерский, Сара-пульский и Ершовский (рис. 4).
А.А. Сазонов, М.А. Матюгин
Характер русловых деформаций в нижнем бьефе Воткинской ГЭС и их влияние на условия
Рис. 4. Схема расположения перекатов, имеющих наибольшие затруднения для судоходства и наибольший объем дноуглубительных работ
По площади деформации русла на исследуемых участках распределены весьма неравномерно. Рассмотрим вначале русловые деформации на Сивинско-Паздерин-ском перекатном участке в период с 1977 по 2015 гг. (рисунок 5). В период с 1977 по 1996 гг. процесс аккумуляции и размыва находились примерно в равных долях, однако в последующий период до 2015 года процесс аккумуляции стал превышать размыв. Причем зона размыва сместилась в район полюса поворота Паздеринской излучины.
1977-1996 гг.
Особый интерес представляет перекатный участок с 1879 по 1868,5 км, на котором расположены друг за другом три переката - Верхненечкинский, Средненечкин-ский и Нижненечкинский (рис. 6). Причем Средненечкинский перекат расположен в расширенной части русла между обширными побочнями правого и левого берегов. Это потребовало строительства целого комплекса выправительных сооружений для создания размывающей скорости. Кроме того, в районе двух из рассматриваемых перекатов располагается крупный правобережный остров Пещерский, вокруг которого имеются обширные отмели, а за островом вдоль правого берега имеется протока, в которую действуют затяжные течения.
По совмещенным планам русловых съемок этого участка можно отметить следующее. В период с 1977 по 2010 гг. на Верхне- и Средненечкинских перекатах преобладающим является процесс аккумуляции наносов, особенно на Средненечкинском перекате и в первую очередь вдоль правого берега. К 2015 году этот процесс замедлился, что привело к значительному снижению дноуглубительных работ на этом перекате.
1977-2010 гг.
Верхненечкинский Средненечкинский
Верхненечкинский Средненечкинский
Рис. 6. Совмещенные планы Верхненечкинского и Средненечкинского перекатов
На Нижненечкинском перекате (1872-1870 км) наблюдаются разнонаправленные деформации (рис. 7). В период с 1977 по 1996 гг. зона размыва преобладает над аккумуляцией наносов, а в период с 1996 по 2015 гг. ситуация изменилась. Вдоль левого берега преобладает аккумуляция наносов, а правобережный побочень на всем протяжении участка с 1873 по 1870 км размывается.
На Пещерском перекатном участке (1871,5-1863 км) за период с 1977 по 1996 гг. наблюдались следующие деформации. На участке с 1871 по 1870 км преобладала аккумуляция наносов вдоль левого берега, а вдоль правого в большей части размыв (см. рис. 7). Ниже по течению вдоль правого берега на участке с 1869 по 1896 км происходит аккумуляция наносов и увеличение в размерах правобережного побочня.
Наиболее деформируемым является Сарапульский перекатный участок (18601856 км), на котором за весь период эксплуатации наблюдается большой объем дноуглубительных работ с некоторым уменьшением к настоящему времени (рис. 8). Верхняя плесовая лощина данного переката имеет достаточно большую глубину, пра-
А.А. Сазонов, М.А Матюгин
Характер русловых деформаций в нижнем бьефе Воткинской ГЭС и их влияние на условия
вый берег крутой, обрывистый, практически не деформируемый. Сам перекат расположен между двумя островами: правобережным крупным островом Зеленый и небольшим левобережным Пляж. За обоими островами имеются протоки (рис. 9).
1977-1996 гг. Нижненекчеиский перекат
Пещерский перекат
1996-2015 гг.
Нижненекчеиский перекат
Пещерский пе рекат
Рис. 7. Совмещенные планы Нижненечкинского и Пещерского перекатов
W, тыс.м3 700
600 500 400 300 200 100 0
(О (О (О
COCOCOCOCOG)G)G)G)
0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)
годы
(N (N (N (N (N (N
Рис. 8. Диаграмма объема дноуглубительных работ на перекате Сарапульский
Таким образом, проведенный анализ деформаций на участке нижнего бьефа Вот-кинского гидроузла от Чайковского шлюза до Камбарки показал, что в целом русловые деформации постепенно уменьшаются со смещением деформируемого участка вниз по течению. Кроме того, выявлено, что ряд перекатов до сих пор представляют
затруднения для судоходства и требуют проведения соответствующих мероприятий для поддержания нормируемых габаритов судового хода.
Одним из основных мероприятий по улучшению судоходных условий является строительство выправительных сооружений [2] на наиболее затруднительных перекатах, позволяющих осуществлять транспорт наносов вниз по течению в плесовые лощины.
1986-1996 гг.
Рис. 9. Совмещенные планы Сарапульского переката (1860-1856 км)
Одним из основных мероприятий по улучшению судоходных условий является строительство выправительных сооружений [2] на наиболее затруднительных перекатах, позволяющих осуществлять транспорт наносов вниз по течению в плесовые лощины.
Проведённые нами исследования с помощью математического моделирования, показали, что наиболее эффективным типом выправительных сооружений являются струенаправляющие дамбы Г-образной формы, расположенные под углом к потоку воды 50-70° в зависимости от конкретной характеристики переката, что позволит стабилизировать русловые процессы на перекатном участке.
Список литературы:
[1] Сазонов А.А. Особенности гидрологического и руслового режимов на приплотинном участ-
А.А. Сазонов, М.А. Матюгин
Характер русловых деформаций в нижнем бьефе Воткинской ГЭС и их влияние на условия ...
ке нижнего бьефа Нижнекамской ГЭС // Вестник ВГАВТ. Вып. 37. - Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2013.
[2] Сазонов А.А., Дмитриева К.О. Результаты исследования выбора эффективного варианта конфигурации полузапруды // Вестник ВГАВТ. Вып. 44. - Н.Новгород: Изд-во ФГБОУ ВО ВГАВТ, 2015.
THE NATURE OF RIVER BED DEFORMATIONS IN THE LOWER POOL OF VOTKINSK HYDROELECTRIC POWER STATION AND THEIR INFLUENCE ON NAVIGATION CONDITIONS
A.A. Sazonov, M.A. Matyugin
Keywords: waterways, river bed processes, improvement of navigation conditions
Long-term deformations on a part of lower pool of Votkinsk hydroelectric power station have been examined and on the basis of this study actions for improvement of navigation conditions on this part of the river have been offered by the authors.
Статья поступила в редакцию 05.07.2016 г.
