Обоснование строительства бетонных плотин на малых реках для комплексного использования водных ресурсов горного Дагестана

Актуальность темы

В связи с развитием в горных регионах малой гидроэнергетики, необходимостью восстановления и развития горно-долинного и террасового земледелия (с постоянным характером орошения), обеспечения устойчивого водоснабжения сельских населенных пунктов, создания зон рекреаций на малых реках, защиты населения и народно-хозяйственных объектов в бассейне малых горных рек от селевых потоков и частичной защиты крупных водохранилищ региона от заиления донными и взвешенными наносами, возникает необходимость создания массового количества плотин и водохранилищ на малых реках горных регионов страны. Примерные подсчеты показали, что таких сооружений только в отдельных регионах может быть десятки и сотни тысяч.

В связи с этим необходимо дать научно-обоснованный прогноз возможного количества плотин и водохранилищ на малой речной сети отдельных горных регионов (например, Дагестан или Северный Кавказ) и объему воды, который можно аккумулировать в этих водохранилищах.

При наличии возможности строительства такого количества плотин, большинство из которых будут малы по объему, возникает необходимость в установлении экономической целесообразности их строительства по существующим методам и технологиям. Это связано с тем, что известна общая тенденция ухудшения удельных показателей строительства при уменьшении объема тела сооружений (плотин), но не известны закономерности этих изменений.

В связи с этим необходимы исследования в установлении математической закономерности изменения удельных и других показателей строительства плотин (удельные трудозатраты, удельная стоимость, удельные сроки строительства и т. д.), по которым можно будет количественно оценивать целесообразность их строительства по существующим методам и технологиям в зависимости от объема бетона и других факторов.

Учитывая потенциально возможное количество плотин и водохранилищ на малой речной сети в горных регионах, данные исследования очень актуальны. На решение этих проблем и ориентирована настоящая диссертационная работа, на примере горной части Республики Дагестан, которая имеет 6248 малых рек.

Цель и задачи исследований. Основной целью исследований является: научно-обоснованный прогноз по возможному количеству плотин и водохранилищ на всей малой речной сети горной части Дагестана и объему воды аккумулированному в нихустановление математических зависимостей между удельными показателями строительства и объемом бетона в теле плотинмежду шириной створа и объемом бетона в теле малых арочных плотин.

Достижение данных целей потребовало решения следующих задач:

1. Сбор и анализ данных по всем малым и мельчайшим рекам горной части Дагестана (их длине, среднегодовым расходам, заслонам и т. д.), с учетом зон по высоте гор и бассейнов основных рек;

2. Разработка модели горного водохранилища и методики расчета по ней объемов воды в водохранилищах малоизученных речных систем;

3. Установление гипотетических средних параметров малых горных водохранилищ (длины и глубины воды у створов), в зависимости от уклонов рек, среднегодовых расходов, высотного расположения, бассейнов основных рек и получения объемов воды в водохранилищах не менее суточно-недельного регулирования;

4. Для случаев прямоугольных скальных створов исследование зависимости между шириной створа и объемом бетона в теле малых арочных плотин;

5. На основе реальных створов выполнение проектных работ по 27 малым плотинам с акцентом на технологию производства работ.

Объект исследования — малые и мельчайшие горные реки, малые водохранилища на них, технология и организация строительства малых бетонных плотин в горных условиях.

Работа выполнена в рамках основного определения «формулы специальности» Паспорта специальности 05.23.07-«Гидротехническое строительство».

Автор защищает — полученные лично следующие результаты:

— Разработанную модель горного водохранилища, с введением понятия «относительной ширины водохранилища», модель горного водохранилища на малых реках, и методику расчета с их помощью объемов воды малоизученных водохранилищ;

— Впервые полученные данные по прогнозно-возможному количеству водохранилищ и плотин на всей малой речной сети горной части Дагестана и объему воды в них;

— Приближенные математические зависимости между объемом бетона в теле малых арочных плотин и шириной створа, при глубинах воды у створа от 5 до 20 метров;

— Впервые полученные математические зависимости между удельными показателями строительства и объемом бетона в теле малых плотин на горных реках.

Научная новизна заключается в:

— разработке модели горного водохранилища, с введением безразмерного параметра — «коэффициента относительной ширины водохранилища» и методики расчета (с их помощью) объемов воды в водохранилищах малоизученных горных речных систем;

— получении прогнозных данных по потенциально возможному количеству водохранилищ и плотин на малой речной сети горной части Дагестана (порядка 50 тысяч) и примерных прогнозных объемов воды в них (более 4 млрд. м3);

— получении приближенных математических зависимостей между шириной скальных створов и объемом бетона в теле арочных плотин на малых реках, высотой до 20 м;

— получении математических зависимостей между удельными показателями строительства и объемом бетона в теле плотин на малых горных реках;

Практическую ценность работы составляют:

— данные по потенциально возможному количеству водохранилищ и прогнозному объему воды в них, расположению водохранилищ по бассейнам основных рек, территориально-административным районам и высоте гор, что позволяет министерствам и ведомствам проводить долгосрочное планирование размещения водохозяйственных объектов;

— разработанная модель малого горного водохранилища, полученный безразмерный «коэффициент относительной ширины водохранилища» и методика расчета объемов водохранилищ на малоизученных реках позволяют проектировщикам приближенно определять объемы воды в отдельных водохранилищах и в целом по отдельным горным районам, без широкомасштабных геодезических исследований;

— на предварительных стадиях проектирования (составления ТЭО и бизнес планов), полученные математические выражения в области строительства малых по объему бетонных плотин, позволяют получить: примерные объемы бетона в зависимости от ширины створа и высоты плотины (для арочных плотин) — общие и удельные трудозатраты, общие и удельные сроки строительства — в зависимости от объема бетона в теле плотинпримерную общую (в рамках сводной сметы и СМР) стоимости объекта — в зависимости от объема бетона в теле плотин.

Достоверность результатов работы: — потенциально — возможное, прогнозное количество водохранилищ и плотин на всей малой речной сети горной части Дагестана получено на основе известных данных по длине и уклонам малых рек, известным среднегодовым расходам и другим осредненным показателям, приводимым в научной литературе;

— «коэффициент относительной ширины водохранилища» получен на основе рассмотрения и обобщения данных по построенным и запроектированным (с известными данными) малым водохранилищам горной части Дагестана, которые хорошо коррелируются с известными водохранилищами на больших горных реках Дагестана;

— общие и удельные показатели строительства бетонных плотин, математические и графические зависимости между удельными показателями и объемом бетона в теле плотин получены на основе проектных решений по реальным створам, с использованием базовых нормативных документов (ЕНиРы, ВНиРы и т. д.);

— математические выражения зависимостей между объемом бетона в теле плотин и отдельными общими и удельными показателями, получены на основе обработки данных на ЭВМ, с помощью известных математических функций, степень точности получения которых контролируется суммой квадратов л уклонения (R) которая в большинстве случаев больше 0,9.

— сравнение удельных трудозатрат вычисленных по формулам полученным в данной работе, с показателями, полученными на монолитной части построенной в 1991 году Салтынской плотины (Дагестан), отличаются всего на 8,9%.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-практических конференциях преподавателей, сотрудников и аспирантов ДГТУ (1996 — 2004гг.);

— региональной конференции «Современное состояние и пути развития мелиорации и орошаемого земледелия в Дагестане». Махачкала, 1997 г.;

— научно-практической конференции водохозяйственных организаций Республики Дагестан. Махачкала, ноябрь 2001 г.;

— кафедре ГТС инженерно — мелиоративного факультета НГМА. Новочеркасск, 2002 г;

— выступлении с докладом в Западно-Каспийском Бассейно-Водном управлении (ЗК БВУ). Махачкала, 2002 г.;

— международной конференции «Защита народнохозяйственных объектов от воздействия селевых потоков». Пятигорск, 2003 г.

— межвузовской научно-методической конференции преподавателей по вопросам экологизации инженерного оборудования и использованию учебно-методических комплексов и электронных средств обучения в учебном процессе. МГУП, УМО по образованию в области природообустройства и водопользования, Российское Представительство Института Устойчивых Сообществ. Москва, 2003 г.;

— шестом международном конгрессе «Вода: экология и технология». ЭКВАТЭК — 2004. Москва, 2004 г.

Реализация работы. Результаты исследований переданы для внедрения и внедряются в ФГУ — «Минмелиоводхоз» Республики Дагестан, в проектном институте «Даггипроводхоз», Левашинском межрайонном Управлении групповых водопроводов. Внедрены в хоздоговорные и госбюджетные НИР, в частности в:

— х/д НИР с Министерством мелиорации Дагестана (2003;2004г), «Исследования, разработки и внедрения в области плотин малых категорий с целью создания водохранилищ для подпитки оросительных каналов гидромелиоративных систем Дагестана»;

— г/б НИР с Минобразованием РФ (программа «Федерально-региональная политика в науке и образовании») «Установление потенциально возможного количества водохранилищ на малых и мельчайших реках Дагестана для целей гидроэнергетики и других отраслей водного хозяйства» (2003 — 2004гг);

— в учебный процесс на гидротехническом факультете ДГТУ, в лекционные и практические занятия специального курса «Проблемы строительства малых плотин», для студентов специальности 2904 — «Гидротехническое строительство».

Публикации. По результатам исследований опубликовано 18 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по работе, списка литературы из 128 наименований. Работа изложена на 193 страницах машинописного текста.

Выводы по разделу.

1. Создание водохранилищ на малой речной сети горной части Дагестана (и других горных регионов) безусловно, будет содействовать экономическому подъему и социальному развитию горных районов Республики.

2. Создание огромного количества малых водохранилищ на всей малой речной сети, в условиях засушливого климата горной части Дагестана, облагородит местные ландшафты и положительно скажется на экологии горного региона.

3. Существующие и разрабатываемые мероприятия по борьбе с донными отложениями в малых горных водохранилищах позволяют обеспечить их целевую деятельность.

4. Обобщены и разработаны предложения по улучшению экологического состояния водохранилищ горного Дагестана с учетом их специфики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты и выводы:

1. На основе изучения малых и мельчайших рек, их общей длины и уклонов в диапазоне высот гор и по бассейнам основных рек, установлены средние параметры прогнозируемых водохранилищ по их длине, глубине воды у створа, среднегодовым расходам малых рек и объемам воды не менее суточно-недельного регулирования, которые позволили определить теоретически возможное количество плотин на всей малой речной сети Дагестана — порядка 150 тысяч;

2. По аналогии с гидроэнергетикой (по соотношениям между общим и техническим гидроэнергопотенциалом малых рек Северного Кавказа) установлено прогнозно-возможное количество малых водохранилищ на всей малой речной сети горной части Дагестана — порядка 50 тысяч и установлено процентное соотношение между количеством водохранилищ в разных зонах по высоте гор, бассейнам основных рек и средним глубинам воды у створа;

3. На основе изучения параметров существующих малых горных водохранилищ, их профилей и форм, выведен безразмерный «коэффициент относительной ширины водохранилища», разработана «модель горного водохранилища» и методика расчета с их помощью объемов воды топографически мало изученных лож водохранилищ;

4. Расчетами установлен примерный суммарный объем воды во всех реально-возможных водохранилищах на малой речной сети Дагестана — порядка 4 млрд. у м (4 км), с распределением по зонам высоты гор и бассейнам основных рек, что позволяет вести долговременное планирование народнохозяйственной деятельности в горной части Дагестана, связанной с водой. Показано, что в ближайшие 20−25 лет может быть освоено около 0.4 млрд. м3 воды с помощью строительства 4700 малых плотин.

5. На основе изучения реальных створов дано обоснование строительства на малых реках бетонных плотин, уточнена градация по категориям, а для случаев арочных плотин в прямоугольных створах, установлены математические и графические зависимости между шириной створа и объемом бетона в теле плотин, которые на предварительных стадиях рассмотрения объектов облегчают труд проектировщикам;

6. В области технологии возведения монолитных бетонных плотин на малых и мельчайших реках, рассмотрены особенности их проектирования и строительства, установлены математические и графические зависимости между объемом бетона в теле плотин и удельными показателями строительства и исследованы закономерности изменения вышеуказанных зависимостей, которые, например, показали, что, по сравнению с большими плотинами, на малых, удельные трудозатраты по бетонным работам возрастают от 5 до 34 раз, удельные стоимости возрастают от 1,7 до 8,5 раз, удельные сроки строительства возрастают в 20 и более раз;

7. Исследования по организации и технологии возведения плотин на малых реках показали насколько неблагоприятно обстоят дела в области плотин малых категорий, если строить их по существующим методам и технологиям. Это указывает на необходимость поиска новых конструктивно-технологических решений в данной области гидротехнического строительства;

8. Даны конструктивные и эксплуатационные рекомендации для удаления наносов и уменьшения возможности образования селевых потоков с учетом специфики малых водохранилищ;

9. Анализ экономико-экологических аспектов создания большого количества водохранилищ на всей малой горной речной сети Дагестана, показал, что это будет содействовать экономическому и социальному развитию горных районов Республики, а также облагородит местные ландшафты и экологию региона.