CC BY
31
Емузова Л.З. ©
К.п.н., доцент, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова
ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАЩИТНОЙ БЕРЕГОУКРЕПИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РЕКИ НАЛЬЧИК
Аннотация
В статье проводится краткий анализ современного состояния берегоукрепительной системы реки Нальчик, рассматриваются основные причины ее трансформаций. Определяется значение твердой составляющей водного потока в активизации разрушительных процессов в жестких конструкциях во время паводка. Обращается внимание на необходимость использования наиболее экологичных технологий берегоукреплений: гибких систем (габионов, георешеток, каменных набросок и т.д.).
Ключевые слова: берегоукрепление, дамба, паводок, аллювий, габионные конструкции. Keywords: вапк strengthening, dam, flood, alluvium, gabion structures.
Водоток Нальчик является левым притоком реки Черек протяженностью 93 км, протекает в юго-восточной части столицы Кабардино-Балкарской Республики города Нальчика в пределах курортной зоны "Долинск", микрорайонах "Вольный Аул" и "Александровка". Основной водосборный бассейн площадью 440 км2 находится в горной части республики: северных среднегорных склонах Скалистого хребта, а также в западных и восточных отрогах низкогорного Лесистого хребта. Пойменно-долинные ландшафты реки Нальчик представляют собой геосистему в ранге местности. Сток реки формируется за счет смешанного питания подземными водами и атмосферными осадками с преобладанием грунтового. Фазы водного режима реки Нальчик имеют ярко выраженные черты сезонности: межень в холодное время года (январь, февраль) и половодье в теплый период (июнь, июль). Летом в результате выпадения ливневых дождевых осадков бывают паводковые ситуации, которые накладываются на повышенный весенне-летний уровень воды. Пики паводков приходятся на период с 15 июня по 10 июля. Современная долина реки Нальчик в пределах городской территории от Хасаньинского моста до улицы Самотечной длиной 10,6 км представляет собой качественно преобразованную природно-территориальную систему.
С целью включения пойменно-долинных ландшафтов реки Нальчик шириной (до 0,3 км и более) в селитебную зону, и защиты от затопления во время паводков, администрацией города Нальчика было принято решение об изменении ее границ по модели спрямленной и суженной долины. Реализация данного гидротехнического проекта потребовала поэтапное выполнение нескольких строительных операций в 70-х гг. прошлого столетия: разработка месторождений строительных материалов (выемка грунта); выравнивание поверхности долины (засыпка углублений, срезание выступов); отведение русла; сооружение насыпной защитной дамбы; укрепление новых берегов и дна реки; рекультивация карьеров. В геологическом строении изучаемого участка долины Нальчика принимают участие четвертичные отложения аллювиального и проллювиально-деллювиального генезисов: конгломераты, глины, суглинки с включениями дресвы и щебня, песчано-гравийные и валунно-галечниковые отложения. Для сооружения насыпных дамб использовались эти горные породы осадочного происхождения в качестве строительного материала. Добыча производилась в пойменных карьерах, располагавшихся недалеко от объектов гидростроительства.
Для защиты искусственных берегов и русла Нальчика от водной эрозии, из существовавших в советское время технологий, акцент был сделан на традиционные, жесткие системы берегоукреплений и руслорегулирований, которые включают целый
© Емузова Л.З., 2015 г.
комплекс различных типов армированных железобетонных конструкций: сборные
подпорные стены, панели, плиты, щиты, фигурные массивы (тетраподы, кубы) и т.д. Дамбы у основания укреплялись массивными подпорными стенками толщиной до 1 м, высотой до 3 м. В результате преобразования долины, днище сузилось до 45 м. В верхней части между бровками (зона сопряжения склонов долины с прилегающей местностью) откосное расширение составляет 65 м. Такое строение поперечного профиля не типично для горных и предгорных рек Кавказа. Методом укладки сборных железобетонных панельных плит проводилось бронирование грунта на откосах дамбы. С целью защиты дна от размыва, русло водотока укреплялось массивными железобетонными плитами, уложенными горизонтально [2, 23].
Для регулирования стока, обеспечения постепенного, равномерного спуска воды по новому, искусственному пути, русло реки было перегорожено десятками порогов различных типов. Так, на многих участках долины были "встроены" донные пороги - поперечное сооружение из железобетонных материалов, заглубленное в размываемое дно и стабилизирующее русло водотока. Донные пороги относятся к гидротехническим струенаправляющим сооружениям. Наряду с ними была создана каскадная полузапрудная система. Полузапруда, буна, поперечная дамба, гидротехническое сооружение, предназначенное для регулирования режима водного потока и защиты морского или речного берега от размыва. Донные полузапруды служат для предохранения от размыва оснований береговых сооружений (дамб, подпорных стенок и др.) [1 ].
На гидротехническую защитную систему реки Нальчик оказывают влияние различные явления гидрологического и физического характера, которые являются причинами системных нарушений. Река Нальчик относится к рекам с паводковым гидрологическим режимом - внезапным, скачкообразным подъемом уровня воды, вызываемым ливневыми дождями. Во время паводка в водном потоке резко возрастает содержание стока взвешенных и влекомых наносов: мелко, средне - и крупнообломочного материала, состав которого определяется геологическим строением района. В динамическом состоянии твердая составляющая водного потока (песок, галька, щебень, валуны) оказывает мощное механическое и физическое, ударное воздействие на элементы берегоукреплений, т.е. становится главной разрушающей силой в долине. Вследствие этого происходят нарушения физического состояния жестких, лишенных свойств упругости, конструкций защитной системы. По разрывным трещинам происходит раскалывание железобетонных массивов, плит, подпирающих стены. Продукты разрушения, например, крупногабаритные фрагменты конструкций гидротехнических сооружений, образуют завалы в зонах обрушения. Отколотые от них обломки геометрической формы с острыми краями в местах сколов и выпирающей арматурой, становятся составной частью руслового аллювия техногенного происхождения (рис. 4). Паводковый поток их перемещает большей частью волочением. Вовлекаясь, в водный поток во время паводков, такой твердый сток становится "тяжелой артиллерией" для гидротехнических сооружений. Например, обрушение мостовых опор может происходить в результате размыва их основания и воздействия на них движущихся обломков из системы укреплений реки. Такое событие имело место в долине Нальчика во время паводка 18 июня 2009 года: пешеходный мост в микрорайоне Вольный Аул лишился второго опорного столба. Также небольшие по размерам фрагменты твердого стока способны пробить железобетонные конструкции: заборы, панели, плиты. В многослойных аллювиальных отложениях реки Нальчик в захороненном состоянии находятся разнообразные продукты разрушения защитной системы, застрявшие в них, при трансформации русловых процессов во время паводков. Эрозионной деятельностью водного потока происходит частичное или же полное их вымывание из наносов; характер расположения в долине - хаотичный.
На железобетонные конструкции перепадов паводковый поток оказывает мощное физическое воздействие. Содержащийся в нем твердый сток, выступает в качестве абразивного материала, который царапает, соскабливает, истирает их поверхность в зоне
контакта. На водосливах имеются следы абразивного воздействия твердой составляющей реки в виде параллельных линейных желобов. Такие эрозионные борозды на стенках гидросооружений стабилизируют водный поток в зоне падения, разделяют и направляют струи. Также встречаются участки сплошного истирания поверхности бетона с обнажившейся железной арматурой решетчатого строения (рис. 1).
Рис.1. Абразивная поверхность водослива. Фото Емузовой Л.З.
Рис.2. Обрушение подпоров. Фото Емузовой Л.З.
Рис.3. Линейное обрушение подпоров на правом берегу Нальчика. Фото Емузовой Л.З.
Не маловажна также роль паводка в русловых процессах: вовлечении донных отложений в паводковый поток путем их размыва; транспортировке твердых материалов на значительные расстояния; аккумуляции в новых местах вниз по течению; создании новых русловых форм микрорельефа и др. Каждый очередной паводок откладывает новую
порцию наносов в одних местах, в других размывает и транспортирует вниз. Аллювий в русле может неоднократно отлагаться и снова подхватываться потоком при увеличении его транспортирующей способности во время паводка. На многих участках долины Нальчика слой наносов стал настолько мощным, что привел к подъему уровня дна реки. В результате под аллювиальными отложениями оказались погребенными донные пороги, подпоры и нижние части откосов с плитами, вследствие чего к общей ширине днища долины прибавились 10 - 15 м. Это дополнительные пространственные условия для еще большего отклонения движения основного стержневого потока воды. Русло Нальчика блуждает среди наносов, постоянно изменяет свое пространственное положение в долине: то занимает полностью левобережную, то правобережную позиции. Аллювий реки Нальчик представлен гравийно-галечниковыми и валунно-галечниковыми отложениями. Обломочный материал на 30% состоит из хорошо окатанной гальки и гравия осадочных пород (известняков и мергелей) и на 70% из изверженных пород (туфов липоритового состава, андезито-базальтов) и меньшем количестве гранитов и кристаллических сланцев.
Изгибы долины Нальчика вызывают формирование в потоке поля скорости с чередующимися вдоль берегов зонами ускорения и замедления течения и поперечной циркуляцией, направленной от одного к другому берегу. При увеличении угла встречи потока с берегом происходит сжатие струйных течений, вызывающее возрастание
энергетического потенциала. Таким образом, интенсивность и характер деформаций основания берегоукреплений зависит от угла подхода стрежня потока к берегу: чем он больше, тем больше скорость разрушения. В ситуациях, когда русло прижато к подпорным стенкам, водный поток уже контактирует с открытым грунтом в их основаниях. Такие места в долине Нальчика стали зонами глубинного линейного размыва. В результате, потерявшие устойчивость, целые звенья подпоров стали обрушиваться. Так, правобережный подпорный забор на участке длиной 444 м между мостами: пешеходным и Орджоникидзевским
автомобильным, полностью рухнул. Механизм разрушения "запустился" после перемещения русла вправо в 2011 году. Сначала в результате подмыва основания произошло отсоединение заборов от общей системы берегоукреплений, затем их отклонение от вертикали с последующим обрушением. При падении часть плит в одних местах раздробилась (рис. 2) , а другая сохранила целостное состояние, свалившись набок и, уложившись, почти горизонтально в русле (рис. 3). Такое нарушение вызвало движение панельных плит на откосах: лишившись опоры, они "съехали" вниз и оказались в зоне деформации обнаженного грунта. Верхний ряд плит также отсоединился от линии бровки и сместился на 40-50 см по откосу. Из-за гравитационных нагрузок соединительные крепления в конструкциях защитной системы, разрываются. В настоящее время весь этот материал находится в местах обрушения и лежит непосредственно в русловом потоке. Со временем в результате сдвигов с мест падения бетонных блоков во время паводка, линейность расположения в долине, сменится беспорядочным положением.
Рис.4. Разрушенный поперечный уступ. Фото Емузовой Л.З.
Рис.5. Полуразрушенный перепад. Фото Емузовой Л.З.
Рис. 6. Каньон реки Нальчик. Фото Емузовой Л.З.
При распределении водного потока по ширине на прямолинейных участках русла, усиливается его физическое воздействие на поперечные уступы. Река стремится к преодолению этих искусственных препятствий путем их сноса. Так, на участке реки у пешеходного моста в районе Вольного Аула, в течение 5 лет почти полностью разрушены два массивных железобетонных перепада - уступа сложной конструкции. От одного из них в русле осталась только часть железобетонных конструкций, прикрепленная к правому борту долины, которая имеет критически деформированное состояние. А от второго осталось только хаотичное скопление обломков конструкций перепада со следами разрывных деформаций (рис. 4). В стадии интенсивного разрушения находится также третий, наиболее высокий из оставшихся русловых перепадов: прямолинейность края уступа нарушена с левой стороны (постоянный русловой поток здесь находится уже 6 лет); основание подмыто с образованием глубокой ниши линейного простирания, над которой свободно нависают железобетонные плиты шириной несколько метров; в основании водопада сформировались несколько глубоких водобойных ям; боковой эрозией полностью разрушена вся система берегоукреплений с обнажением грунта дамбы на расстоянии более 50 м (рис. 5). Также разрушения в конструкциях берегозащитной системы могут быть вызваны естественной деформацией грунта в дамбах. За более чем тридцатилетний период эксплуатации берегоукреплений, произошли необратимые структурные изменения грунта на откосах (переход из плотного, утрамбованного состояния в осыпное состояние) с образованием пустых камер под набросками из панельных плит, над которыми они свободно нависают. В результате гравитационные силы приводят к разрывам соединительных креплений защитной
системы и падению панельных плит вниз. Такие открытые, провалившиеся, участки дамбы являются очагами активизации эрозионных процессов из-за свободного доступа атмосферных осадков.
Река Нальчик протекает в собственных отложениях по закупоренной аллювиальными наносами суженной долине и активно развивает глубинную эрозию с образованием различных углублений дна: ям, котлов. На многих участках в мощных глинистых наносах река прорезала узкие глубокие каньоны с обнажением на дне гравийно-галечникового слоя (рис. 6). Но они не являются устойчивыми к трансформации русловыми формами геоморфологического устройства долины. На следующей стадии развития каньона происходит расширение русла эрозионной деятельностью воды. В конечной стадии развития паводковые потоки полностью размывают глинистые отложения - каньоны перестают существовать.
По данным систематических наблюдений за состоянием берегозащитных сооружений реки Нальчик, проводимых автором работы с 1997 года, количество участков с
нарушениями устойчивости, целостности берегозащитной системы постоянно
увеличивается. А за последние несколько лет площадь участков, оказавшаяся в зоне с наибольшей активностью разрушительных процессов, резко возросла. Наиболее уязвимым к деформациям линейного характера, оказался участок в микрорайоне Вольный Аул длиной 1610 м, между автомобильными мостами: Осетинским и Орджоникидзевским. Последнее обследование берегоукрепительной системы реки Нальчик проводилось 4 ноября 2015 года с фото-видео документированием. Результаты исследований свидетельствуют о том, что здесь разрушительные процессы приобрели катастрофический, необратимый характер: около 90 % берегоукрепительных и руслорегулировочных сооружений долины имеют различные виды деформаций. В них имеет место разрушение внутренней структуры, стабильности функционирования геосистем под влиянием природных и антропогенных факторов. В целом пойменно-долинные ландшафты реки Нальчик находятся в деструктивном состоянии, с явными нарушениями экологических и эстетических норм. Из-за спрямления и сужения долины нарушено равновесное гидрологическое состояние реки, изменились
геоморфологические условия для естественной аккумуляции аллювия по всей долине с образованием элементов русловых форм: островов, кос, пляжей, заводей; резко снизилась биопродуктивность [2, 25].
Таким образом, эксплуатируемые берегозащитные сооружения реки Нальчик находятся в полуразрушенном состоянии и морально устарели. Для защиты реки Нальчик от эрозионной деятельности, наряду с традиционными инженерными решениями, нужны технологии с использованием габионных сооружений, характеризующиеся рядом ценных качеств: гибкостью, прочностью, проницаемость, долговечностью, экологичностью и эстетическим видом. Г абионные конструкции обладают гибкостью, способны противостоять внешним нагрузкам без разрыва и разрушения самого сооружения. Прочность габионов обусловлена возможностью выдерживать значительные нагрузки без разрушения, с годами она увеличивается за счет естественной консолидации. Высокая проницаемость габионных конструкций исключает возникновение гидростатических нагрузок. Дренажность и устойчивость делают их идеальными для защиты склонов от эрозии. Эффективность габионных конструкций не уменьшается, а возрастает с годами, так как они сливаются с окружающей средой и становятся частью природного ландшафта. Характеристики габионных конструкций обеспечивают их конструктивную целостность в течение длительного срока эксплуатации. Экологичность габионных конструкций определяется их высокой водопроницаемостью и способностью аккумулировать грунтовые частицы, которые способствуют произрастанию растительности на их поверхности. Габионные конструкции представляют собой естественные строительные блоки, вписываются в окружающую среду, почти полностью сливаясь с ней. Они не только не меняют эстетической ценности ландшафта (в отличие, например, от сооружений из железобетона), но даже дополняют ее [5].
Выводы
1. Жесткие конструкции берегоукреплений и руслорегулирований защитной системы реки Нальчик характеризуются высокой степенью эксплуатационной изношенности. 2. Нарушена общая линия бровки дамбы в местах локального размыва грунта и в результате деформации откосов. 3. В местах гидродинамического воздействия паводкого потока подпорные стены деформированы и разрушены. Лишившись защитных укреплений, река развивает боковую эрозию в насыпных дамбах и глубинную эрозию на дне русла. Глубина размыва русла во многих местах находится ниже основания подпорных сооружений, что является главной причиной деформационных процессов грунта в дамбах. 4. В современных наносах Нальчика наряду с аллювием естественного происхождения присутствуют также техногенные материалы - продукты разрушения защитной системы.5. Гидротехническая защитная система реки Нальчик эксплуатируется более 30 лет. За это время она подверглась трансформации, и ее состояние оценивается как катастрофическое из-за наличия значительных и критических дефектов и высокой степени деформационных изменений всех структурных элементов берегоукреплений и дноукреплений. Время доказало "нежизнеспособность" такого рода техногенных сооружений на горной реке Нальчик с паводочным режимом.
Разрушение защитной системы реки Нальчик связано с ошибками на этапах проектирования, прежде всего, недостаточным научным обоснованием: инженернотехнических характеристик жесткой системы технологии берегоукрепления и руслорегулирования, лишенной свойств упругости, которая дает ограниченную стабилизацию грунта и слабую сопряженность с геоморфологией местности; эксплуатационных качеств (эффективность функционирования, надежность и долговечность конструкций); экологических и эстетических свойств гидротехнических сооружений; использования перепадов жесткой конструкции для регулирования водотока; роли и значения аллювия в вопросе о деформации структурных компонентов защитной системы [3, 259].
Решение обозначенной проблемы связано с рекомендациями по ремонту, восстановлению, реконструкцию гидротехнических сооружений с помощью специализированных программ на основе ГИС, НЕСЯЛБ. К основным задачам эксплуатации гидротехнических сооружений реки Нальчик относятся: разработка новых технологий по восстановлению и ремонту эксплуатируемых берегоукрепительных систем [4, 7]; проведение ремонтно-восстановительных работ на разрушенных участках гидротехнических
сооружений; проведение демонтажных работ на участках реки, где разрушенные берегоукрепительные сооружения представляют угрозу для водных организмов; комплексное использование современных, наиболее экологичных технологий берегоукреплений: гибких систем (габионов, георешеток, каменных набросок и т. д.) и биологических систем (восстановление пойменной растительности); осуществление
постоянного контроля над состоянием защитной системы; установление водоохраной зоны реки и выведение хозяйственных объектов из нее [3, 262].
Литература
1. Большая советская энциклопедия. (В 30 томах). Гл. ред А.М. Прохоров. Изд. 3- е. - М.,
«Советская энциклопедия», 1975. Т.20. Плата-Проб. 1975, - 608 с.
2. Емузова Л.З. Гидротехнические сооружения как фактор изменения компонентов долины реки Нальчик / Современные проблемы географии, экологии и природопользования: материалы международной научно-практической конференции (г. Волгоград 25-26 апреля 2012г.). - С.22-27.
3. Емузова Л.З. Развитие разрушительных процессов в берегоукреплениях реки Нальчик / Новые технологии в науке о Земле: материалы всероссийской научно-практической конференции (г. Нальчик, 13-21 сентября 2013г.). - С.257-263.
4. Ламердонов З.Г. Охрана земель гибкими противоэрозионными берегозащитными сооружениями, адаптированными к морфологии рек / Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - Нальчик - 2006. С.403.
5. Применение габионных конструкций. [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.gabiony.permp.ru/page 1 .html
