Противоэрозионная защита берегов водных объектов города, как фактор обеспечения экологической безопасности Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 502.64

ПРОТИВОЭРОЗИОННАЯ ЗАЩИТА БЕРЕГОВ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ГОРОДА, КАК ФАКТОР ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

DOI: 10.24411/1816-1863-2019-14113

П. А. Слепнев, к. т. н, доцент, доцент кафедры «Градостроительство», Национальный исследовательский университет Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), pslepnev@yandex.ru, Москва, Россия

Определено, что развитие эрозионных процессов отрицательно сказывается на экологической безопасности урбанизированных территорий, а решение этой задачи позволит обеспечить надежную защиту территорий, сохранить природные и техногенные ландшафты. Эрозионные процессы, как фактор формирования ландшафтов, могут являться причиной развития других форм развития экзогенных процессов, приводящих не только к экономическому ущербу, но и к человеческим жертвам. Своевременная и правильная стабилизация эрозионных процессов позволит не только сохранить сложившиеся ландшафты в условиях возрастающих техногенных нагрузок, но также обеспечить устойчивое развитие территорий. Показано, что математическое описание является важным фактором разработки надежных методов инженерной защиты. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, на основании которых предложена модель прогноза развития эрозионно-русловых и склоновых процессов, позволяющая определить критические скорости в зависимости от крупности зерен и крутизны заложения откосов. На основании результатов лабораторных исследований и натурных экспериментов определен состав и приведены требования к структуре геокомпозиционной системы в зависимости от типа эрозионных процессов (плоскостная, овражная, русловая), используемой для защиты откосов и склонов от эрозии.

The development of erosion processes adversely effects on the environmental safety of urbanized territories, and the solution to this problem will ensure reliable protection of territories, preserve natural and man-made landscapes. Erosion processes, as a factor of the landscapes formation, can contribute to the development of other forms of exogenous processes development that lead not only to economic damage, but also to human victims. Timely and proper stabilization of erosion processes will allow not only to preserve the prevailing landscapes under the conditions of increasing technogenic loads, but also to ensure sustainable development of territories. It is shown that the mathematical description is an important factor in the development of reliable engineering protection methods. There are the results of theoretical and experimental studies, based on the proposed model for predicting the development of erosion-bed and slope processes. It allows to determine critical velocities depending on the grain size and the steepness of the slopes. On the base of the results of laboratory studies and field experiments, the composition and the structure of the geocomposition system depending on the type of erosion processes (planar, ravine, channel) for protecting slopes from erosion is identified.

Ключевые слова: экологическая безопасность, ландшафт, эрозионные процессы, математическая модель, критические скорости потока, геокомпозиционная система.

Keywords: environmental safety, landscape, erosion processes, mathematical model, critical flow rates, geocomposition system.

ТЗ О ш

о

Г) -I

тз

о

-I

CD

о-

Г> -I 03

о

0

1 X

тз

о

03

0

1 X

CD

с CD

О-

Г> X

X н

0

Г) CD

CD

1 I

У

I -I

О оз

Введение

Неконтролируемое развитие эрозионных процессов на склонах и откосах часто становится причиной оползней, что связано с чрезвычайными экономическими затратами и повышенными рисками. Решение проблемы стабилизации эрозионных процессов позволит обеспечит экологическую безопасность при эксплуатации сооружений, сохранить природные и техногенные ландшафты, повысить эффективность использования земель.

Математическая моделирование эрозионных процессов является трудоемкой задачей, в связи с этим исследования в этой

области основываются, как правило, на результатах проводимых экспериментов и данных натурных наблюдений. Тем не менее, математическое описание представляет не только научный интерес в изучении процессов эрозии, но и имеет практическую значимость. Возможность получения прогнозов в развитии эрозионных процессов, определение критических скоростей позволяет обосновать конструкцию необходимой инженерной защиты.

Модели и методы

В основе предложенной математической модели определения эрозионной ус-

О

IX

X с

X

X

ф

с

ф

и о

X

X ^

и

ф

и ф

X X

о

о ^

X

о

с с

о

т

I-

и

ф

IX

о

I-

и о а

о ^

тоичивости грунтов лежат модели, разработанные Ц. Е. МирхулавоИ и Н. И. Мак-кавеевым [1, 2], согласно которым эрозионные процессы не проявляются, если значения скоростей потока, срывающих частицы и агломераты грунта, меньше действительных скоростей потока, действующих на поверхности. Срывающей скоростью является предельная скорость потока, при которой частицы грунта основания потока приходят в движение, и начинается неостанавливаемый процесс их переноса. Срывающая скорость зависит от следующих параметров:

— гидравлическая характеристика потока (расход, скорость течения);

— гидравлическая шероховатость основания потока (русла), которая связанная с диаметром зерен несвязного грунта, частиц и агломератов связного грунта;

— гидравлическая крупность (скорость равномерного нестесненного падения ч ас-тицы в покоящейся жидкости) зерен и агломератов [3].

Согласно модели Ц. Е. Мирцхулава и Н. И. Маккавеева гидравлическая крупность зерен вычисляется:

/2 [ gd( Уг - У в ) + 1 ,2 5 К( Сун +

стнаб)]

1,75 кУв

2 [ МУг - У в) + 1,25КС" ]

1,75 ку в

склонах, необходимо учитывать, что потоки воды на склоне не всегда сопоставимы с размерами частиц, а зачастую глубина потока не превышает их размеров.

Первопричиной является разница уклонов. Дно русел и склоны имеют не сопоставимые уклоны. Зачастую дно русел имеет незначительный уклон, в то время как склоны могут иметь уклон 20—30 %. Таким образом, если при расчете эрозионных процессов в русле мы не учитываем тангенциальную составляющую силы тяжести, то при рассмотрении этого же процесса, развивающегося на склоне. Значение этого фактора возрастает с увеличением крутизны склона. В частности, уравнение (2) принимает в данном случае следующий вид:

-£^(уг - Ув)(со8а - 8Ша) +

+ 1,25КС

у

1,75кув

, (3)

(1)

где g — ускорение свободного падения, м/с2; уг — удельный вес грунта, кН/м2; ув — удельный вес воды, кН/м2; й — диаметр зерен, м; к — коэффициент перегрузки; К — коэффициент однородности; Су1 — прочность грунта при динамическом воздействии, Па; стнаб — напряжение, вызванное набуханием.

Как показывают исследования, напряжение набухания стнаб оказывает незначительное влияние на процесс размыва, поэтому им можно пренебречь. Тогда зависимость (1) принимает вид:

(2)

Формула (2) для определения гидравлической крупности зерен и частиц грунта действительна при определении критических скоростей русловых потоков, когда зерна и частицы грунта полностью покрыты слоем воды, т. е. при глубинах потока свыше максимального размера частиц грунта. Рассматривая данные процесс на

где g, й, уг, ув, Су , К — то же что и в формуле (1); а — угол заложения откоса или склона.

Вторым немаловажным фактором является то, русловые потоки подразумевают наличие потока глубиной в несколько раз, а то и десятки раз больше, нежели размер частиц грунта, рассматриваемого в качестве эродируемой поверхности. Однако при рассмотрении данного фактора применительно к склоновым процессам оказывается, что поток, имеющий глубину меньше, чем диаметр частиц, тоже оказывает влияние на противоэрозионную устойчивость грунтов, слагающих склоны. Данный факт можно наблюдать при размыве песчаного грунта. Например, после прохождения осадков д аже небольшой интенсивности, вниз по склону смываются крупные включения грунта.

Причиной тому является взвешивающее действие воды, которое оказывает влияние на устойчивость частиц грунта, располагаемых на склоне. В нашей математической модели мы делаем некоторые допущения, в частности принимаем частицу грунта округлой формы для облегчения описания взвешивающего действия воды. Для этого используем безразмерные коэффициенты, которые показывают соотношения объемов подводной (кдп) и надводной (кдн) частей частиц грунта. Из

2

ю —

со —

—

геометрии нам известна формула определения объемов ш ара и ш арового сегмента, применяя их к нашему допущению, получаем следующие значения безразмерных коэффициентов:

4 пГ й

Л»п =

к&н =

у Г 2 ) - п( й - Я У

2 Г й й - Я

Ч (2)3

п(й- Я)2(2-

¿зЯ

4П (й)3

(4)

(5)

к$н =

п(й- я)2г2- <ш

4П(й)3

4 пГ й

к$п =

^Г2) - п(й- ЯV

2 Г й й - Я

4П

3 (2

(6)

(7)

Таким образом, при условии й < Я формула (3) останется без изменений, в противном же случае примет вид:

М к^п (Уг - Ув ) + к ^нУг )х х (сов а - 8Ш а) + 1,25КСу

1,75ку в

(8)

щего склон, и расчетных скоростей потока, который формируется на рассматриваемом склоне. Однако для прогнозирования развития эрозионных процессов следует рассматривать динамику процесса во времени. Как известно, все явления в природе протекают во времени, а, следовательно, и эрозионные процессы тоже. Процесс отрыва агрегата при размыве может определяться комплексом явлений, происходящих во времени. Одним из возможных путей является косвенное определение этого показателя на основе экспериментов по размыву и предложенной модели для срывающих скоростей по формуле:

где п = 3,14; й — диаметр частицы грунта, м; Я — гидравлический радиус потока, м.

Математическая модель, позволяющая определить критические скорости с учетом этих дополнений, была предложена А. А. Алексеевым [4] и показала достаточно хорошие результаты для склонов, сложенных несвязными грунтами.

Однако А. А. Алексеев не учел, что в случае, когда Я < ё/2, т. е. частица погружена в воду меньше, чем на половину, величина коэффициентов изменяется и принимает следующий вид:

Уд/ =

У„

Л

(9)

1( 1 + Р /)

где Уд/ — действующая донная скорость потока; Ун — допускаемая (не размывающая) скорость потока; Т — время воздействия потока [5, 6].

Исследования, выполненные Ц. Е. Мир-цхулавой, позволяют принять т = 2, р = = 0,00017 1/с, тогда формула (9) приобретает вид:

Уд/ =

У

0,00017/

(10)

Таким образом, используя математическое описание, мы можем получить теоретическую зависимость и рассчитать критическую скорость размыва грунта в зависимости от гранулометрического состава. Оценка эрозионной устойчивости грунта может быть проведена на основе сравнения расчетных критических скоростей, установленных для грунта, слагаю-

/( 1 + 0,00017/)

Данное выражение позволяет установить значение допускаемой (неразмыва-ющей) скорости течения на момент времени /, в зависимости от действующей скорости течения, другими словами, дать прогноз начала развития эрозионных процессов.

Результаты и обсуждение

Предлагаемая математическая модель позволяет определить необходимость применения инженерных методов защиты склонов и на береговых зона водных объектов. Противоэрозионные мероприятия инженерной защиты должны быть направлены как на снижение действительных скоростей потока, так и на увеличение срывающих скоростей потока для грунтов, слагающих русло потока (поверхности склона или откоса). Одним из основных приемов служит организация поверхностного стока, позволяющая уменьшить расход воды.

В настоящее время для защиты от эрозионных процессов используется ряд

тз а ш

о г>

-I

тз

о

-I

а>

О-

Г> -I 03

о

а л

X

ТЗ

О

03

а л

а>

с

а>

О-

Г> ^

X н

а

с> а>

а> т т

у

-I

о

03

2

=

О

IX

X с

X

X

ф

^

ф

и о

X

X ^

и

ф

и ф

X X

о

о

СР X X

о ^

с

о

т

I-

и

ф

IX

о

СР

I-

и о а о

технологических решений, основанных на применении конструктивных элементов бетонных, каменных, деревянных, устройство габионных конструкций, а также геосинтетических материалов. Независимо от конструктивных решений и материалов, используемых при их реализации, основополагающим принципом их работы является обеспечение устойчивости покрытия к размыву и снижение скоростей потока на сколоне [7]. Соответственно свойства применяемых материалов в конечном итоге определяют эффективность использования того или иного метода. Обобщение свойств и возможностей методов противоэрозионной защиты позволило определить, что наиболее эффективным является создание геокомпозиционной системы [8, 9], позволяющей сочетать в себе эффективность биологических и инженерных методов противоэрозионной защиты. Конструкция геокомпозиционной системы представляет собой матрицу (геосинтетический материал) [10] и заполнитель.

Результаты проведенных натурных экспериментов позволили определить ряд необходимых требований к матрице геокомпозиционной системы. Матрица должна:

— быть водопроницаемой для обеспечения процесса инфильтрации;

— обеспечивать сплошность системы для эффективной противоэрозионной защиты;

— обладать объемной трехмерной структурой для эффективного сцепления с грунтом поверхности;

— быть сплошной по всей защищаемой поверхности для равномерного закрепления грунта;

— толщина матрицы не должна превышать длины корней растений;

— толщина элементов матрицы должна быть сопоставима с толщиной корней растений, для создания эффекта «искусственные корни»;

— структура должна занимать минимально-возможный объем от общего объема геокомпозиционной системы;

— должна обладать достаточной гибкостью.

На основе результатов выполненных нами натурных экспериментов было установлено, что наиболее полно вышеприведенным условиям отвечают геокомпозиционные системы, матрицей которых

служат геосинтетические маты [10]. Проведенные опыты также позволили определить оптимальный состав заполнителя геокомпозиционных систем, применяемых для защиты от плоскостных, и от овражных и русловых эрозионных процессов.

Для защиты от плоскостной эрозии, которая проявляется в период выпадения жидких атмосферных осадков, заполнителем может служить растительный грунт, пролитый 20-процентным раствором кар-боксиметилцеллюлозой (КМЦ) или ме-тилцеллюлозой (МЦ). Раствор КМЦ или МЦ позволяет образовывать новые водно-коллоидные связи между частицами грунта, благодаря чему увеличиваются значения критических скоростей.

Для защиты от овражной и русловой эрозии прочности дополнительных связей, образуемых раствором КМЦ или МЦ, недостаточно для противостояния выносу частиц грунта, ввиду растворимости этих связующих в большом количестве воды. По результатам поставленных экспериментов для д анных типов эрозионных процессов определен следующий оптимальный состав заполнителя: гранитный щебень (фракции 2—6 мм), обеспечивающий максимальный вес конструкции, а следовательно, плотное прилегание геокомпозиционной системы к эродируемой поверхности под водой; резиновая стружка (толщина стружки 1—2 мм, длина 20—40 мм), обеспечивающая гибкость геокомпозиционной системы при укладке; битумная эмульсия, обеспечивающая связность геокомпозиционной системы.

Заключение

Как показали результаты проведенных натурных экспериментов, такие геокомпозиционные системы позволяют предотвратить развитие эрозионных процессов и создать благоприятные условия для развития растительных сообществ на защищаемых откосах и склонах и обеспечить го-меостаз образующихся природных систем. А как известно, создание устойчивого дернового покрова и растительности на эродируемых поверхностях служит наиболее надежным, долговечным и дружественным окружающей среде средством защиты от эрозии.

Основные выводы:

1. Предложенная математическая модель позволяет прогнозировать развитие

эрозионных процессов и определить не- онно-склоновых и эрозионно-русловых

обходимость и состав инженерной защи- процессов, что подтверждено результатами р

ты склонов, откосов и берегов. теоретических и натурных экспериментов. д

2. Сформулированные требования к 4. Предложенные составы заполните- с матрице геокомпозиционной системы поз- лей геокомпозиционных систем, обосно- р воляют определить наиболее эффектив- ванные результатами натурных экспери- § ный тип геосинтетического материала. ментов, позволяют создать наиболее оп- л

3. Геокомпозиционной системы на ос- тимальные конструкции для защиты от ^ нове матриц из геосинтетических матов эрозионных процессов склонов, откосов и О позволяют предотвратить развитие эрози- берегов водных объектов. §

п

1. Маккавеев Н. И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. — М.: Изд-во АН СССР, 1955. — 280 с. и

2. Мирцхулава Ц. Е. Инженерные методы расчета и прогноза водной эрозии. — М.: Колос, 1970. — О 240 с. §

3. Маккавеев Н. И., Чалов Р. С. Эрозионные процессы. — М., Мысль, 1984. н

4. Алексеев А. А. Геоэкологическая эффективность применения геокомпозиционных экранов при х восстановлении ландшафтов, нарушенных горнодобывающей деятельностью: автореф. дис. на ® соиск степени к. т. н. М., МГСУ. — 2005. е

5. Гончаров В. Н. Нормы допускаемых неразмывающих скоростей // Гидротехническое строитель- Ь ство. — 1936. — № 5. — С. 5—18. к

6. Кнороз В. С. Неразмывающая скорость для несвязных грунтов и факторы, ее определяющие. —

М.: Изв. ВНИИГ, 1959. — Т. 59. — С. 95—115. х

7. Кузнецов М. С. Противоэрозионная стойкость почв. — М.: Изд-во МГУ, 1981. — 136 с. §

Библиографический список

8. Слепнев П. А. Оценка опасности эрозионно-русловых процессов, развивающихся на водоемах и е водотоках урбанизированных территорий // Материалы научно-технической конференции «Эко- л логия урбанизированных территорий». — М.: Изд-во Прима-Пресс, 2006. — С. 235—237. н

9. Щербина Е. В., Слепнев П. А. Обоснование эффективной защиты от эрозии элементов водных х рекреационных объектов города // Материалы научно-практической конференции «Городской ^ строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан». — М.: Изд-во МГСУ, 2005, ^ С. 111—116. н

10. Щербина Е. В. Геосинтетические материалы в строительстве. М.: Изд-во АСВ, 2004. — 100 с. к

О

--03

CITY WATER BANKS EROSION PROTECTION AS A FACTOR OF ENVIRONMENTAL SAFETY

P. A. Slepnev, Ph. D, Associate Professor, Associate Professor of the Urban Planning Department, National Research Moscow State University of Civil Engineering (NRUMGSU), pslepnev@yandex.ru, Moscow, Russia

References

1. Makkaveev N. I. Ruslo reki i eroziya v ee bassejne.[River bed and erosion in its basin]. Moscow: Izd-vo AN SSSR, 1955. 280 p. [in Russian].

2. Mirchulava C. E. Inzhenernye metody rascheta i prognoza vodnoj erozii. [Engineering methods for calculating and predicting water erosion]. Moscow: Kolos, 1970. 240 p.

3. Makkaveev N. I., Chalov R. S. Erozionnye processy. [Erosion processes]. Moscow: Mysl, 1984. 324 p. [in Russian].

4. Alekseev A. A., "Geoekologicheskaya effektivnost primeneniya geokompozicionnyh ekranov pri vosstanovlenii landshaftov, narushennyh gornodobyvayushej deyatelnostyu". Avtoreferat dis. na soisk ste-peni k. t. n., [Abstract of thesis for the degree of candidate of technical sciences]. Moscow: MGSU, 2005. 34 p. [in Russian].

5. Goncharov V. N. Normy dopuskaemyh nerazmyvayushih skorostej. [The norms of permissible non-washable speeds]. Gidrotehnicheskoe stroitelstvo. 1936, No. 5, p. 5—18.

6. Knoroz V. S. Nerazmyvayushaya skorost dlya nesvyaznyh gruntov i faktory, ee opredelyayushie. [Non-developmental speed for disconnected soils and factors determining it]. Izv. VNIIG, 1959, t. 59, p. 95—115.

7. Kuznecov M. S. Protivoerozionnaya stojkost pochv. [Erosion resistance of soils]. Izd-vo MGU, 1981. 136 p.

8. Slepnev P. A. Materialy nauchno-tehnicheskoj konferencii "Ekologiya urbanizirovannyh territorij". [Materials of the scientific and technical conference "Ecology of urbanized territories"]. Moscow: Izd-vo Prima-press, 2006. p. 235—237 [in Russian].

9. Sherbina E. V. Geosinteticheskie materialy v stroitelstve. [Geosynthetics in construction]. Moscow: ASV, 2004. 100 p. [in Russian].

10. Sherbina E. V., Slepnev P. A. Materialy nauchno-prakticheskoj konferencii "Gorodskoj stroitelnyj kompleks i bezopasnost zhizneobespecheniya grazhdan" [Materials of the scientific-practical conference "Urban construction complex and the safety of life support of citizens"]. Moscow: MGSU, 2005, p. 111—116 [in Russian].

№4, 2019