Проблемы селевой активности на горных реках Черноморского побережья Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 551.311

ПРОБЛЕМЫ СЕЛЕВОЙ АКТИВНОСТИ НА ГОРНЫХ РЕКАХ ЧЕРНОМОРСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ

© 2011 г. В.А. Волосухин, А.И. Титоренко

Новочеркаская государственная Novocherkassk State

мелиоративная академия Meliorative Academy

Актуальным вопросом является активное развитие Черноморского побережья, а именно бурное строительство спортивных олимпийских объектов и инфраструктуры. Рассматривается ситуация, сложившаяся в бассейне р. Мзымта, где разными авторами отмечается более 100 селевых русел, средняя длина которых составляет менее 5 км, а площадь водосбора менее 10 км2.

Ключевые слова: горные реки; Черное море; водосбор; сель; террасы; барражи; гибкие противоселевые сооружения.

The actual question is an active development of the Black sea seaside black sea, namely tempestuous construction of athletic Olympic objects and infrastructures. The situation established in basin of the river Mzymta, is considered, it is noted more than 100 mudflow, with average length less 5 km, but watershed area less 10 km2.

Keywords: mountain rivers; the Black sea; watershed; mudflow; terrace; barrage; flexible anti- mudflow construction.

Горные реки южного склона Кавказского хребта в пределах Краснодарского края к настоящему времени изучены недостаточно [1, 2]. По имеющимся данным, в Чёрное море на территории Краснодарского края впадает 252 реки, более 95 % которых являются самыми малыми (длиной менее 10 км). Вследствие специфики рельефа и обилия осадков на Черноморском побережье Краснодарского края гидрографическая сеть развита значительно. Реки в пределах побережья Черного моря Краснодарского края обычно разбивают на 5 участков: Анапо-Новороссийский, Геленджик-ский, Туапсинский, Лазаревский, Сочи-Адлеровский. Малых рек длиной от 26 до 100 км сравнительно немного. В качестве примера приведем характеристики малой реки Мзымта. Ее длина 89 км, площадь водосбора - 885 км2, средний уклон - 27 %о (27 м падения на 1 км длины), средняя высота водосбора - 1309 м.

Продольный профиль реки Мзымта характерен для продольного профиля горных рек, описанного проф. Н.И. Маккавеевым (1955) [1], имеет вогнутую форму с стрелой прогиба, смещённой к верхнему течению. Режим стока р. Мзымта изменяется от 150 м3/с (июнь, декабрь) до 15 м3/с (февраль, август). Для метеопоста в п. Красная Поляна наибольшие расходы - 301 м3/с (26 июня 1956 г.), наименьший - 5,48 м3/с (7 февраля 1950 г.). Распределение стока взвешенных наносов по временам года для р. Мзымта, п. Красная Поляна - зима 15,6 %, весна - 44,5, лето - 26,7, осень -13,2 %. Количество влекомых наносов на р. Мзымта составляет около 50 %. Река Мзымта относится к рекам с весенне-летним половодьем, средняя продолжительность подъема половодья - 2 суток, спада -8 суток, общая продолжительность - 10 суток, средний наибольший расход 133 м3/с. Источник питания

р. Мзымта для п. Красная Поляна (площадь водосбора А=510 км3) - 39,1 % снеговая, 0,1 - ледниковое, 31,0 -дождевое и 29,8 % - подземное; для п. Кепш (площадь водосбора А=798 км2) - 30,4% - снеговое, 0,1 - ледниковое, 42,2 - дождевое и 27,3 % - подземное. Сред-немноголетний расход р. Мзымта в п. Красная Поляна - 33,5 м3/с, в п. Кепш - 44,4 м3/с. Среднемноголетний сток р. Мзымта в п. Красная Поляна - 1,06 км3, в п. Кепш - 1,40 км3. Модуль стока изменяется от 65,7 л/(с-км2) (п. Красная Поляна) до 55,6 л/(с-км2) (п. Кепш). Исток р. Мзымта находится на высоте около 2500 м.

В бассейне р. Мзымта, разными авторами отмечается более 100 селевых русел, по которым периодически проходят селевые потоки различного генезиса и типа. По генезису потоки делятся примерно пополам на дождевые и смешанные - снегодождевые сели. Объемы единовременных выносов твердой составляющей колеблются от 100 м3 до более 100000 м3, однако преобладают объемы от 10 до 15 тыс. м3. По составу твердой составляющей селевых потоков преобладают грязекаменные сели 48 %, на втором месте находятся (смешанные, переходящие в наносоводные селевые потоки) (30 %) и на наносоводные селевые потоки приходится 22 %. Повторяемость прохождения селевых потоков колеблется в широком диапазоне от 1 раза в 5 лет, до 1 раза в 50 лет. Общая длина селевых русел в бассейне равна 244 км. Из них самое длинное р. Лаура - 20 км, самое короткое 0,6 км. Средняя длина селевых русел 5 км. Средняя площадь водосборов селевых бассейнов около 10 км2, максимальная 140 км2 (Чвижепсе), минимальная 0,2 км2 (рис. 1) [3].

Рис. 1. Орогидрографическая схема бассейна реки Мзымта: 1 - водоразделы; 2 - реки; 3 - озера; 4 - населенные пункты

Несмотря на огромное количество публикаций (более 10 тыс. наименований) по селевым процессам, подавляющая их часть относится к описанию прошедших селей в горных районах [1].

К проблемным вопросам горных рек Черноморского побережья относятся [1, 2, 4]:

- низкая изученность селевых русел этого региона;

- высокий материальный ущерб от схода селей и его рост в последние годы;

- недостаточная обоснованность параметров селевых потоков и сооружений инженерной защиты;

- отсутствие мониторинга селевых русел.

С позиции географических наук важно описать время схода селя, генезис, повторяемость селей, ожидаемый объем выноса селевой массы, но для хозяйственного использования горных территорий более важно обосновать параметры селевых потоков, чтобы построить эффективные сооружения (стабилизирующие, селе-направляющие, селепропускные, селезадерживающие) и провести комплексные противоселевые мероприятия инженерной защиты во всем бассейне реки.

Первоочередным для Причерноморских селеопас-ных бассейнов является мониторинг природных процессов, приводящих к селям. Эффективным и актуальным подходом к организации противоселевой защиты для данного района является применение террас и барражей.

В мировой практике для уменьшения активности проявления селевых потоков часто на крутых склонах устраиваются ступенчатые террасы параллельно одна

другой на расстоянии 15 - 20 м с валами и без них. Склон превращается как бы в пологую лестницу, благодаря чему замедляется скорость стекания воды и задерживаются камни (рис. 2 а, б).

Для предотвращения размывов русла и приведения крутых уклонов в ступенчатый вид часто практикуются заграждения русел горных потоков подпорными стенами в виде порогов. Порог - это поперечная стена, расположенная по ширине русла горного потока, опущенная в грунт русла на всю высоту (рис. 2, в).

s / / / б

Рис. 2. Регулирующие мероприятия на склонах: а - ступенчатая терраса; б - то же, с валами; в - с порогами

К наиболее распространенному типу сооружений, обеспечивающих постепенное затухание селевого потока, относится система барражей-запруд, возводимых выше защищаемых объектов. Барражи, в отличие от порогов, строятся выступающими над дном оврага (рис. 3). Расстояние L между барражами определяется по формуле [5]

L = Н/^ а - ау),

где Н - высота запруды над дном русла; tg а - уклон русла перед запрудой; tg ау = 0,7tg а - уравнительный уклон отложений наносов перед запрудой.

Объем наносов в пазухах подсчитывается по формуле

W = 0,5ВЖ,

где В - ширина русла.

Для повышения эффективности гашения давления потока и продления срока службы разработаны несколько типов сооружений, которые способны пере-

мещаться на некоторые расстояния совместно с селевыми потоками, погашая таким образом их разрушительную силу. К этим сооружениям относятся гибкие противоселевые сооружения (рис. 4).

В Швейцарии для селеопасных водотоков малой длины эффективными являются гибкие многоуровневые селезащитные барьеры.

Рис. 4. Гибкие селезащитные барьеры из кольцевых (кольчужных) сеток

Гибкие селезащитные барьеры из кольцевых (кольчужных) сеток доказали свою надёжность в многочисленных экспериментах и реальных проектах по всему миру. Барьер задерживает твердый селевой материал, не создавая препятствий для воды и мелких частиц. Гибкие барьеры из кольцевой сетки устанавливаются в качестве:

- сооружений для сортировки селевого потока;

- барьеров для защиты от селей как альтернатива бетонным дамбам;

- системы барражей для уменьшения уклона и снижения эрозии дна селем.

Применение гибких селезащитных сооружений позволит существенно повысить безопасность Причерноморских селеопасных бассейнов. Эта конструкция удачно подходит для бассейнов рек данных географических условий, а именно малая длина русла и большой перепад высот.

Особенность гибких конструкций заключается в сочетании податливости с повышенной прочностью материала в способности обладать определенной формой поверхности в напряженном состоянии, в возможности существенно деформироваться под воздействием нагрузки.

На основе технической теории тканевых композитов, разработанной Б.И. Сергеевым и В.А. Волосухи-ным [6], нами получены зависимости гибких многоуровневых селезащитных барьеров для деформированного состояния (в ненапряженном состоянии форма его является плоской, а напряжения равны нулю), с учетом нагрузок от задержанной селевой массы:

y --k cos ф;

/ -\'4T

E (k; J]-E (k; ф)

F fk; J]-F (k; ф)

(1)

где T = at - усилие в композитном материале, кН/м; а - напряжение в композитном материале, кН/м ; t -толщина композитного материала, м; у - удельный

вес селевого потока, кН/м3; k = sin ф0 - модуль эллиптических интервалов; F (к; ф ), E (к; ф) - эллиптические интегралы первого и второго ряда; ф = 2ф -

угол составленный касательной к дифференцируемому состоянию гибкого барьера с осью x, отсчитываемый против часовой стрелки, град;

против

Í • л Sin ф

- расчетный параметр; ф0 , фкр -

ф = arcsin

^ Ф 0 у

параметры углов для точек крепления гибкого барьера (рис. 5).

Рис. 5. Расчетная схема гибкого многоуровневого селезащитного барьера

Для обоснования геометрических параметров анкерной опоры гибкого барьера [7, 8] имеем следующие расчетные зависимости:

- I4T _ H - kl— cos ф •

, 4T A - . —

i - ^T

( k; ф кр )

У

EI k;- |-E(k;ф

F ík; J ]-F (k; ф кр)

(2)

Зависимости (1) и (2) позволяют определять как геометрические параметры гибкого селезащитного барьера, так и напряжения в кольцевой сетке и анкерах.

У

У

Литература

1. Власов А.Ю. Селевые явления на территории СССР и меры борьбы с ними (указатель литературы, изданной в 1968-1991 гг.). Ч. 2. Пятигорск, 2008. 333 с.

2. Бассейн горной реки и экзогенные процессы в её пределах (результаты стационарных исследований) / Н.В. Хмелева [и др.]; под ред. проф. Р.С. Чалова. М., 2000. 186 с.

3. Заруднев В.М., Салпагаров А.Д., Хома И.И. Лавинно-селевая опасность бассейнов рек Теберда, Большой Зеленчук, Мзымта и защита от снежных лавин и селей горнолыжных комплексов Домбай, Архыз, Красная поляна // Тр. ТГБЗ. Кисловодск. МИЛ, 2007. Вып. 46. С. 114 - 117.

4. Эрозионные и русловые процессы : сб. тр. / под ред. Р.С. Чалова (МГУ), М., 2010. Вып. 5. 456 с.

5. Байнатов Ж.Б. Научно-технические достижения и передовой опыт в области автомобильных дорог защита от селевых потоков // Инф. сб. 1992. Вып. 3.

6. Волосухин В.А. Расчет мягких конструкций гидротехни-

ческих сооружений // Тр. Новочеркасского инженерно-мелиоративного института. Новочеркасск, 1975. Т. 16, Вып. 6. С. 52 - 57.

7. Волосухин В.А. Сетчатые конструкции в водном хозяйст-

ве. Новочеркасск, 1994. 114 с.

8. Волосухин В.А. Совершенствование методов расчета напряженно-деформированного состояния сетчатых сооружений // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. (г. Пятигорск, 17-21 нояб. 2003 г.). Новочеркасск; Пятигорск, 2003. Вып. 1. С. 108.

Поступила в редакцию 24 марта 2011 г.

Волосухин Виктор Алексеевич - д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. 8-928-214-75-11.

Титоренко Александр Иванович - аспирант, Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. 8-950-864-06-60. E-mail: [email protected]

Volosuhin Viktor Alekseevich - Doctor of Technical Sciences, professor, Novocherkassk State Meliorative Academy. Ph. 8-928-214-75-11.

Titorenko Alexandr Ivanovich - post graduate-student, Novocherkassk State Meliorative Academy. Ph. 8-950-864-06-60. E-mail: [email protected]