8УДК 712.5(282.3):627.8.059.22
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РИСКООБРАЗУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ГИДРОУЗЛАХ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В КАСКАДАХ
Левкевич В.Е., к.т.н., Пастухов С.М.
В публикации представлен анализ каскадного расположения искусственных водных объектов по бассейнам главных рек, а также методика проведения натурных наблюдений и обследований за рискообразующими факторами, приводящими к возникновению гидродинамических аварий как на одиночных водоемах, так и на водоемах, расположенных в каскадах. Подробно рассмотрен способ регистрации движения донных наносов, а также методика определения высоты волны в глубоководной зоне водохранилищ, в зависимости от длины ее разгона и скорости ветра над поверхностью водоемов. Представлены особенности определения высоты волны для водоемов с простой и сложной конфигурацией береговой линии.
(Поступила в редакцию 23 ноября 2007 г.)
К одной из первых зарегистрированных гидродинамических аварий, сопровождавшихся человеческими жертвами, относится разрушение плотины Пуэнтес на р. Гвадалантин в Испании в 1802 г. Первым разрушившимся каскадом водохранилищ считается каскад в верховьях р. Буффало-крик (1972 г., штат Западная Виргиния в США), при аварии на котором погибло 125 человек, получили травмы свыше 1000 человек, повреждено и уничтожено более 1500 зданий и сооружений, ущерб от аварии составил около 50 млн. долларов [1]. В настоящее время поддержание безопасной эксплуатации искусственных водных объектов является важной задачей. Для Республики Беларусь актуальность проблемы подчеркнута в положениях Республиканской программы энергосбережения на 2006-2010 гг., в соответствии с которыми одним из приоритетных направлений инвестирования проектов по увеличению использования местных топливно-энергетических ресурсов в прогнозируемом периоде является строительство новых гидроэлектростанций и восстановление ранее выведенных из эксплуатации [2].
Более половины от общего количества водохранилищ составляют водоемы руслового типа, на которых преимущественно и создаются каскады. Отличительной особенностью водохранилищ республики является то, что они в основном располагаются не на главных водотоках (Днепр, Западная Двина, Неман, Западный Буг), а на притоках первого - третьего порядка, что усиливает их влияние на значительные расстояния [3-5]. Распределение водохранилищ по притокам главных рек показано на рисунке 1. Из представленной на рисунке 1 диаграммы видно, что наибольшее количество водохранилищ, расположенных в каскадах находится на притоках первого и второго порядка главных рек Припять, Днепр, Неман. Одна из особенностей каскадного расположения водохранилищ заключается в возможности разрушения всех нижележащих водоемов каскада при разрушении вышележащего - т. е. верхней ступени каскада.
Необходимость в проведении натурных наблюдений за гидрометеорологическими явлениями и процессами переработки берегов обусловлена тем, что большинство исследователей [6] при оценке безопасности искусственных водных объектов учитывают лишь технические параметры, пренебрегая зачастую действием природных факторов. Анализ существующих подходов и учет различных факторов при оценке безопасности искусственных водных объектов представлен на рисунке 2.
Разработанная нами методика проведения натурных наблюдений за рискообразующими факторами на гидроузлах включат в себя:
1) Разовые и сгационарные обследования состояния верховых откосов и их креплений, а также мест прьмыкания напорных сооружений к коренным берегам водохранилищ в верхнем бьефе с целдо выявления участков плотины, наиболее подверженных разрушениям.
Слева направо: водохранилища бассейнов рек Днепр, Неман, Припять, Западный Буг,
Западная Двина
Рисунок 1 - Распределение водохранилищ по притокам главных рек
2) Изучение движения материалов переработки напорных верховых откосов и коренных берегов (донных наносов) на различных участках подводной части береговой отмели.
3) Наблюдение и регистрация скорости ветра и волновых параметров (высота волны, длина разгона) 1-5%, 25%-й обеспеченности с целью оценки разрушения подводной и надводной части береговой отмели.
4) Исследование влияния каскадного расположения водохранилищ на гидрологический и уровневый режимы нижележащих водоемов, а также их морфометрических и гидрологических особенностей, изучение изменения амплитуды колебания уровней на одиночных водоемах и водоемах, расположенных в каскадах.
5) Отбор проб грунта тела плотины с целью выявления фактического состава четвертичных отложений в районе расположения водоема и установления типа коренных берегов (в случае их абразионного разрушения).
6) Разовые наблюдения и регистрация воздействия льда на гидротехнические сооружения в верхнем бьефе в период ледохода (воздействие ледовых нагрузок на напорные верховые откосы, замер толщины льда и ширины ледовых полей в приплотинной части водохранилищ).
7) Визуальные наблюдения за фильтрационными деформациями низовых откосов дамб и плотин в нижнем бьефе гидроузлов. Выявление выхода грунтовых вод на поверхность низовых откосов.
Остановимся более подробно на описании таких наблюдений, как разовые и стационарные за состоянием плотины, исследование движения донных наносов на участках коренных берегов и верховых откосах, регистрация скорости и направления ветра и волновых параметров (высоты и длины разгона волны).
1 - учет технических параметров; 2 - учет природных явлений и технических параметров;
3 - учет природных явлений
Рисунок 2 - Анализ подходов по учету факторов безопасности гидротехнических сооружений
Разовые и стационарные обследования за состоянием плотины включают в себя:
- осмотр напорных верховых откосов плотины, их описание, фотографирование, замер величины линейной переработки (5/) и определение объема вымываемого грунта (()?) для абразионных берегов;
- отбор проб грунтов с надводной и подводной частей береговой отмели и их последующая привязка к реперам;
- лабораторный анализ проб и построение кривых гранулометрического состава размываемых грунтов и наносов;
- замер величины разрушения бетонного крепления (при его наличии), а также иной защиты напорных верховых откосов;
- профилирование береговой линии, примыкающей к плотине, по контрольным створам с закреплением реперов и створных знаков на репрезентативных участках побережья;
- районирование береговой линии и участков плотины по доминирующему процессу;
- построение плана (схемы повреждений) гидроузла с прилегающей береговой линией и поперечных профилей береговых склонов.
Периодичность проведения указанных наблюдений в соответствии с работами [6, 7] следующая:
- контроль за процессами переработки берегов и переформирования верховых откосов (абразия, линейная и русловая эрозия, суффозия) - два раза в год: весенний период (после освобождения водоемов ото льда) и предледоставный период (октябрь - ноябрь);
- отбор проб размываемых грунтов с подводной и надводной частей береговой отмели и коренных берегов - ежегодно в период развитого волнения;
- осмотр верховых откосов, их фотографирование и описание, замер величины линейной переработки (5,) и объема вымываемого грунта (0,) - три раза в год: весенний период
(после освобождения водоемов ото льда), летний период (после прохождения сильных дождей и сильного волнения), предледоставный период (октябрь - ноябрь).
На рисунке 3 представлены измеряемые параметры для верхового откоса плотины нормального профиля, который по данным [8] является наиболее распространенным в условиях Республики Беларусь.
Профилирование береговой линии является важной составляющей при изучении процессов переработки коренных берегов и напорных верховых откосов. Данный вид обследований включает в себя разбивку береговой линии на контрольные створы по репрезентативным участкам побережья. Количество створов определяется в каждом конкретном случае на основании данных, полученных при проведении продольной фотосъемки, визуального осмотра и местных условий [8]. Профилирование осуществляется с использованием нивелира и нивелира-теодолита, нивелирных реек и створных вешек. При профилировании подводной части отмели на глубине более 1,5 м используется мерная рейка высотой не менее 3 м с горизонтальным уровнем, а также плавсредства [7].
величина линейной переработки береговой отмели, м; Qt - объем вымываемого грунта, м3/пм; Яб - высота береговой террасы, м; - ширина надводной части береговой отмели, м^ Вц1 — ширина подводной части береговой отмели, м; НВн - глубина на внешнем краю отмели (свале глубин), м
Рисунок 3 - Схема и элементы профиля абразионного склона напорного верхового откоса
Для изучения движения донных наносов на участках коренных берегов и напорных верховых откосах необходимо выбирать тестовые водоемы (каскады водоемов), имеющие различный срок эксплуатации. Измерения движения наносов необходимо выполнять в период развитого волнения 1 раз в год в осенний период времени (сентябрь - октябрь), поскольку именно в данный период года преобладают ветра максимальной силы и повторяемости [9]. Регистрацию направления перемещения влекомых донных наносов и их объема необходимо проводить с помощью разработанного одним из авторов и апробированного в натурных условиях комплекта из пяти наносоуловителей [8]. Схема установки наносоуловителей представлена на рисунке 5, позиция 3.
Каждый наносоуловитель состоит из внешнего цилиндра - 1, с конусом - 2 и бортиком - 3, установленного непосредственно в точке измерений, внутреннего цилиндра -4 с перегородками - 5, делящим весь объем на 4 равных сектора, бортиком - 6 и заглушкой -7, поплавка-индикатора - 8. Для регистрации движения наносов вдоль берега на внутреннем цилиндре - 4 установлены лепестки - 9, позволяющие регистрировать это перемещение наносов (рисунок 4).
Наносоуловители в натурных условиях при изучении режима движения влекомых наносов необходимо устанавливать в следующей последовательности: первый - в зоне наката волны, второй - на урезе, третий - в зоне разрушения волны, четвертый - в зоне трансформации волны и пятый - в глубоководной зоне на краю береговой отмели.
ÍILY
Измерение осуществляется следующим образом: в предварительно погруженные в грунт подводной отмели внешние цилиндры - 1 опускаются внутренние цилиндры - 4 и открываются заглушки - 7, затем через контрольное время извлекаются внутренние цилиндры - 4, из каждой секции которых достаются пробы наносов. Полученные пробы затем взвешиваются и определяется объем наносов в каждом секторе и для каждого наносоуловителя суммарный объем наносов.
Наблюдение и регистрацию скорости и направления ветра необходимо производить при помощи полевого ветромера «8Ю01-М» с анемометром. Скорость ветра измеряется на надводной части береговой отмели, на высоте 2 м от плоскости поверхности (рисунок 5, позиция 1). В соответствии со схемой, представленной на рисунке 5, регистрация скорости ветра проводится на напорном фронте гидроузлов. Приборы необходимо устанавливать непосредственно на плотине и коренных берегах водохранилищ. По результатам полученных показаний определяется высота волны, которая затем сравнивается с расчетной.
Измерение высоты волны выполняется в период развитого волнения в весенне-летнее и осенне-зимнее время года при отсутствии льда. Высота волны измеряется при помощи волномерной рейки с поплавками в различных зонах подводной части отмели (рисунок 5, позиция 5). Длительность измерений устанавливается в зависимости от направления и скорости ветра, в каждом конкретном случае с учетом местных условий расположения водных объектов.
Среднее значение величины разгона волн для заданной расчетной скорости ветра (Fio, м/с) определяется по формуле (1) [10]:
НПУ - нормальный подпорный уровень воды в водохранилище
Рисунок 4 - Схема наносоуловителя
L = к.
D
(i)
где кщ8 - коэффициент, принимаемый равным 5-1011;
5 2
и - коэффициент кинематической вязкости воздуха, принимаемый равным 10" , м /с.
Значения предельного разгона волны Ьи9 м, допускается принимать по таблице для заданной расчетной скорости ветра м/с.
Таблица - Значение предельного разгона волны Lu, м
Скорость ветра м/с 20 25 30 40 50
Значения предельного разгона ¿и-10'3, м 1600 1200 600 200 100
1 - ветромер, анемометр
2 - верховой откос (коренной берег)
3 - наносоуловители
4 - рейка с уровнями
5 - волномерная рейка
Рисунок 5 - Схема установки наносоуловителей и приборов на верховом откосе и коренном берегу
чО
Расчетная высота волны определяется в зависимости от скорости ветра Vw и длины разгона волны Lp по графику, представленному на рисунке 6 и полученному по результатам [8].
Рисунок 6 - График для определения высоты волны
Длина разгона волны Ьр определяется в зависимости от конфигурации береговой
линии.
При сложной конфигурации береговой линии эквивалентная длина разгона волны определяется по следующей формуле [11]:
1р =0,27-[10+0,85-(^+¿^ + 0,50.(42+М> (2)
где Ьо - длина разгона по главному лучу, равному максимальному расстоянию от рассматриваемого створа до противоположного берега, £±1 и 1±2 - длина разгона по лучам, проведенным соответственно под углом 22,5° и 45° к главному лучу (рисунок 7).
Береговая линия считается сложной конфигурации, когда выполняется условие Ьо/Ь±2 > 2. При простой конфигурации, когда Ьо/Ь±2 < 2, эквивалентная длина разгона принимается равной максимальному расстоянию от рассматриваемого створа сооружения до противоположного берега 10 вне зависимости от направления сторон света [11].
Выводы. При оценке возможности возникновения гидродинамических аварий на искусственных водных объектах кроме технических параметров сооружений необходимо проводить наблюдения за коренными берегами, примыкающими к телу плотин, а также за напорными верховыми откосами. В качестве стихийных гидрометеорологических явлений учету подлежат: сильный ветер, очень сильный дождь, высокие и низкие уровни воды и др., а также процесс переработки берегов водохранилищ. Впоследствии данные натурных на-
блюдений будут учтены при оценке вероятности возникновения гидродинамических аварий на тестовых водоемах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гинко, С.С. Катастрофы на берегах рек / С.С. Гинко; под ред. А.И. Чеботарева. - Л.: Гидроме-теоиздат, 1977. - 128 с.
2. О Республиканской программе энергосбережения на 2006-2010 годы: Постановление Совета Министров Респ. Беларусь, 02 февр. 2006 г. № 137 // Нац. Реестр правовых актов Респ. Беларусь. - 2006.
3. Водохранилища Беларуси: справочник / М.Ю. Калинин [и др.]; под общ. ред. М.Ю. Калинина. -Минск: Полиграфкомбинат им. Я. Коласа, 2005. - 183 с.
4. Широков, В.М. Водохранилища Беларуси: справочник / В.М. Широков, В.А. Пидоплечко. -Минск: Университетское, 1992. - 80 с.
5. Широков, В.М, Водохранилища Белоруссии: природные особенности и взаимодействие с окружающей средой / В.М. Широков, П.С. Лопух. - Минск: Университетское, 1991. - 207 с.
6. Правила организации и проведения наблюдений и исследований на плотинах из грунтовых материалов: РД 153-34.2-21.546-2003.- Введ. 01.02.05. - СПб.: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2005. - 67 с.
7. Левкевич, В.Е. Экологический мониторинг берегов (coast monitoring) водных объектов Беларуси / В.Е. Левкевич, A.A. Ковалев, А.И. Павловский; под ред. В.Е. Левкевича. - Минск: Экомир, 1995.-36 с.
8. Левкевич, В.Е. Переработка берегов малых водохранилищ мелиоративных систем, ее прогноз и управление (на примере Белорусской ССР): дис. ... канд. техн. наук: 06.01.02 / В.Е. Левкевич. -Минск, 1986.- 135 с.
9. Справочник по климату Беларуси: в 4 ч. / М.А. Гольберг [и др.]; под общ. ред. М.А. Гольбер-га. - Ч. 4: Ветер. Атмосферное давление. - Минск: БЕЛНИЦ ЭКОЛОГИЯ, 2003. - 124 с.
10. Государственный строительный комитет СССР. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования: СНиП 2.06.01-86. - Введ. 01.07.87. - Москва: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1986.-32 с.
11. Левкевич, Е.М. Проектирование поперечного профиля земляных плотин и напорных дамб с уположенными и пологими верховыми откосами: метод, пособие по курсовому и дипломному проектированию / Е.М. Левкевич; БГПА. - Минск, 1993. - 34 с.
