Регулирование стока рек фильтрующими плотинами

Настоящая диссертационная работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (СПГУВК). В основу работы положены материалы научно-исследовательских и проектных институтов (СПГУВК, Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники — ВНИИГ, ЗАО «Ленгипроречтранс», Гидропроект, Государственный гидрологический институт — ГГИ, Кубаньгипроводхоз, Московский государственный университет — МГУ и другие), а также материалы исследования и эксперименты автора, в области регулирования русел и стока рек и применение для этих целей фильтрующих плотин. В частности, были использованы данные по построенным и проектируемым сооружениям и осуществленным инженерным мероприятиям на реках Дальнего Востока (Амур, Зея, Уссури, Малиновка, Арсеньевка и другие реки), реках Сибири (Лена, Енисей и другие), реках Предкавказья (Кубань, Терек, Белая, Лаба, Мзымта и другие).

Актуальность представленного научного исследования.

На сегодняшний день речные системы в бытовом, а иногда и в зарегулированном состоянии, не могут удовлетворить потребности народного хозяйства (недостаточность судоходных глубин, занесение промышленных и питьевых водозаборов, размыв берегов, нежелательное спрямление речных излучин и др.), и не редко ставят под угрозу безопасность населенных пунктов и жизнь людей (катастрофические наводнения). Только летнее наводнение на Кубани в 2002 году принесло материальный ущерб более 500 млн. долларов. Для устранения и предотвращения негативных воздействий речных вод человек на практике применяет различные инженерные мероприятия:

— регулирование стока плотинами;

— регулирование деформаций русла выправительными сооружениями;

— возведение противоэрозионных берегоукрепительных сооружений;

— расчистка берегов и русел рек;

— спрямление речных извилин и др.

Указанные инженерные мероприятия часто требуют возведения капитальных сооружений, так, например, для регулирования стока необходимо построить ответственное напорное гидротехническое сооружение. Такое сооружение должно отвечать не только требованиям прочности, надежности и долговечности, но и быть достаточно экономичным и простым в эксплуатации. На сегодняшний день гидротехническое сооружение должно также отвечать экологическим требованиям, т. е. воздействие сооружения на все сферы окружающей среды должно быть минимальным. Таким образом, инженерное сооружение, возводимое человеком в речном бассейне, должно решать поставленную перед ним задачу и являться надежным, экономичным и экологичным решением проблемы.

В разрезе указанных требований весьма актуальным является применение фильтрующих плотин для регулирования русел и стока рек. В настоящей диссертационной работе рассматривается использование плотин этого типа для решения народнохозяйственных задач, в тех случаях, когда применение других инженерных мероприятиях является более дорогостоящим, менее действенным и безопасным. Согласно определению фильтрующими называют плотины, фильтрационный расход которых через тело соизмерим с расходами воды в реке. Эти плотины сооружают из камня без специальных проти-вофильтрационных устройств. Допускается также перелив воды через гребень при превышении расходов воды над фильтрующей способностью плотины.

Фильтрующие плотины предлагаются к применению для решения следующих народнохозяйственных задач:

1) Регулирование стока рек, а именно с целью защиты территорий от наводнений. Решение данной задачи достигается срезкой пика паводочного стока (задержка и перераспределение во времени опасных расходов). Пропуск воды в меженный период обеспечивается за счет фильтрации, без применения каких-либо специальных устройств (водосбросов, водовыпусков), т. е. плотина является саморегулирующей. Для применения предложена схема защиты от наводнений при помощи системы водохранилищ-«ловушек» на примере защиты города Майкоп на реке Белая.

Отдельно рассмотрена экстренная мера по защите городов от внезапных катастрофических наводнений на горных реках — образование фильтрующих плотин методом направленного взрыва.

2) Регулирование русел рек с целью перераспределения расходов воды в русле реки и изменения русловых деформаций в наивыгоднейшей направленности для объектов народного хозяйства, так называемое выправление русел рек. Фильтрующая плотина рекомендуется здесь в качестве плотины (запруды), перекрывающей второстепенные протоки в многорукавном русле. Особенно целесообразным применение фильтрующих плотин для решения данной задачи оказывается при необходимости соблюдения двух условий:

— запруда не должна быть глухой, т. е. необходим санитарный сток в меженный период;

— запруда не должна крайне резко воздействовать на весь водный узел в первые годы строительства, т. е. фильтрация воды должна смягчать воздействие перенаправленного потока в другие рукава.

В настоящей работе рассмотрена и проанализирована реальная схема защиты левого берега реки Амур в районе города Хабаровска, осуществленная к 2006 году.

Цель настоящего исследования.

Генеральной целью исследования является разработка способа регулирования рек при помощи фильтрующих плотин. Эта цель рассматривается в трех направлениях:

1) Сбор, систематизация и анализ имеющихся данных о режиме фильтрации в ка-менно-набросных сооружениях, в том числе на примере плотин в натурных условиях.

2) Разработка схемы защиты территорий от наводнений и схемы регулирования русел рек с использованием фильтрующих плотин.

3) Лабораторные исследования (изучение фильтрационного режима).

4) Уточнение методики расчета фильтрационного режима габионных плотин.

Методика исследования.

Для изучения фильтрационного режима использованы существующие натурные данные. Также для изучения режима фильтрации в габионных сооружениях был поставлен специальный эксперимент — выполнено гидравлическое моделирование габиона в лабораторной установке.

Полученные экспериментальные данные были обработаны при помощи компьютерных программ и средств математики.

Научная новизна результатов работы.

1) Предложен способ регулирования рек саморегулирующимися фильтрующими плотинами.

2) Предложен экстренный способ защиты от наводнений в условиях внезапного катастрофического паводка.

3) Уточнена методика расчета фильтрующих плотин из габионной кладки.

Основные положения, выносимые на защиту.

На защиту выносится способ регулирования рек фильтрующими плотинами.

В качестве плотин предлагается использовать саморегулирующиеся каменно-набросные или габионные сооружения. Применительно к габионным сооружениям предложена уточненная методика расчета фильтрации.

Практическое использование и внедрение результатов.

Разработанные схемы защиты территорий от наводнений фильтрующими плотинами рекомендуется использовать для речных бассейнов, предгорных и горных районов.

Разработана предпроектная схема защиты территорий бассейна реки Белая в республике Адыгея. Эта схема может служить аналогом для других подобных речных бассейнов, например, реки Приморья России. Указанная схема защиты от наводнений используется при обучении студентов СПГУВК в учебном процессе.

Реализация схемы достигается путем создания системы водохранилищ-«ловушек», обеспечивающих задержку паводкового стока и растягивание его во времени. В качестве основных сооружений для создания водохранилищ рекомендуется плотина из каменной наброски или габионной кладки, обеспечивающих пропуск заданного зарегулированного расхода в нижний бьеф за счет фильтрации.

Регулирование русел рек фильтрующими плотинами рекомендуется для перекрытия второстепенных проток в многорукавном русле.

В 2006 году по проекту ЗАО «Ленгипроречтранс» было реализовано строительство фильтрующих запруд в протоках Хабаровского водного узла.

Достоверный расчет фильтрации в габионных плотинах рекомендуется вести по методике автора, уточненной на основе натурных и экспериментальных данных.

В 2006 году автор совместно с другими специалистами подали заявку на патент изобретения — «Способ защиты территорий от затопления и устройство для осуществления способа». По состоянию на сентябрь 2006 году заявка прошла формальную экспертизу и получила положительное заключение. В настоящее время продолжается экспертиза по существу.

Апробация работы.

Результаты диссертационного исследования были представлены и докладывались автором на заседаниях кафедры, научно-методических конференциях, проводимых в СПГУВК, с участием немецких коллег из Кильского университета водного строительства. Были выполнены доклады на XX межвузовском совещании и VI семинаре молодых ученых по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов при МГУ.

Структура и объем работы.

Настоящая диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и библиографиче-кого списка литературы. Работа содержит 171 страницу, включая 69 рисунков, 27 таблиц, 59 формул и 2 схемы.

6.4 Выводы.

В данной главе рассмотрены и систематизированы сведения о режиме турбулентной фильтрации через сооружения из крупнопористых заполнителей. В частности, подробно рассмотрена существующая методика расчета фильтрации в каменно-набросных сооружениях, разработанная ВНИИГ им. Веденеева.

На основании экспериментальных данных, полученных автором по результатам опытов по моделированию габионных сооружений, уточнена методика расчета фильтрации в габионах. Для практического использования предложен порядок расчета фильтрации габионной плотины с использованием эмпирических зависимостей, полученных при обработке данных эксперимента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертационной работе в соответствии с генеральными целями исследования разработан и предложен к применению способ регулирования рек — регулирование фильтрующими плотинами. Фильтрующие плотины при регулировании рек могут быть использованы для защиты от наводнений и для регулирования русел путем перекрытия второстепенных рукавов.

Одной из целей регулирования рек, рассматриваемых в настоящей работе, является регулирование речного стока. Сток большинства рек России является крайне неравномерным в течение года, и на многих горных реках сток во время паводков превышает в тысячи раз сток межени. Потоки воды во время паводка стремительно стекают с гор и предгорий и затопляют территорию речного бассейна на равнине. Ущерб от наводнений в регионах России достигает порой колоссальных размеров, а в отдельные годы сравним с бюджетами самих регионов.

Для решения проблемы наводнений имеются различные способы, но самым действенным на сегодняшний день является способ регулирования стока реки. Ранее в практике при решении проблемы наводнений рассматривалось строительство крупного гидроузла комплексного назначения. Несомненно, такое решение, в увязке с требованиями всех отраслей народного хозяйства, является оптимальным решением. Однако данное решение требует огромных капитальных затрат по созданию крупного гидроузла со всеми сопутствующими сооружениями. Также при создании крупного гидроузла требуется образование крупного водохранилища, которое сможет вместить весь регулируемый паводочный объем. Таким образом, решение проблемы наводнений при помощи крупного водохранилища может быть неприемлемо по финансовым, материальным (сырьевая база), экологическим (воздействие крупного гидроузла на окружающую среду) и социальным причинам (затопление населенных пунктов). А, иногда, строительство крупного гидроузла может быть невозможно. Альтернативой в данном случае может служить способ регулирования стока реки фильтрующими плотинами. В настоящей работе разработана схема защиты речных бассейнов с помощью водохранилищ-«ловушек». Схема предусматривает строительство системы фильтрующих плотин на ряде боковых притоков реки, таким образом, чтобы меженный сток реки пропускался плотинами за счет фильтрации, а паводковый задерживался и растягивался во времени, обеспечивая необходимую срезку пика наводнения. Для создания водохранилищ-«ловушек» предлагается возводить саморегулирующиеся фильтрующие плотины.

Для защиты от наводнений в экстренных случаях могут применяться фильтрующие плотины, образованные направленным взрывом. Схема предполагает создание фильтрующей плотины в заранее подготовленном месте и с заранее спланированными параметрами плотины при помощи направленного взрыва. Параметры фильтрующей плотины, образованной взрывом, подбираются таким образом, чтобы в межень обеспечивался пропуск воды в нижний бьеф (за счет фильтрации).

Фильтрующие плотины предлагается также к применению в многорукавных руслах, для прекращения или, наоборот, поддержания развития отдельных рукавов.

Для устранения негативного воздействия речного потока в многорукавных руслах человек с древности использует различные гидротехнические сооружения и мероприятиявыправительные сооружения и дноуглубление. В многорукавных руслах очень часто наблюдаются процессы развития или отмирания рукавов негативно воздействующие на объекты народного хозяйства (порты, водозаборы, причалы предприятий, мосты, трубопроводы, ЛЭП, судоходство, берегоукрепление). Для решения указанных проблем может потребоваться применение выправительных сооружений для перекрытия второстепенных рукавов. При этом часто возникает необходимость осторожного вмешательства человека в режим реки, особенно при водности второстепенных рукавов, сопоставимой с водностью основного русла. Таким образом, возникает требование сохранения проточности перекрываемых рукавов с целью более мягкого воздействия на водный узел. Выправительное сооружение должно быть достаточно устойчивым, так как большинство выправительных сооружений являются переливными. Кроме того, могут налагаться жесткие требования экологического характера, например, должен сохраняться санитарный сток перекрываемого рукава. Для решения проблемы негативного воздействия речного потока в многорукавных руслах может служить, в разрезе вышеприведенных требований, способ регулирования русел рек фильтрующими плотинами. Фильтрующие каменно-набросные сооружения являются наиболее простыми и экономически приемлемыми сооружениями. Такие сооружения обеспечивают мягкое воздействие на гидравлику потока и пропускают санитарный расход в меженный период. Кроме того, фильтрующие плотины при перекрытии второстепенных рукавов могут быть переливными и в отдельных случаях даже судоходными в паводковый период.

На основании вышеизложенного, генеральная цель диссертации — применение фильтрующих плотин в регулировании рек носит не узкий одноцелевой характер, а может отвечать двум направлениям регулирования рек: регулирование стока и русел рек.

В конструктивном исполнении в качестве фильтрующих сооружений предлагаются плотины из каменной наброски и плотины из габионов. Фильтрующие сооружения при необходимости могут быть снабжены саморегулирующимися водопропускными отверстиями.

Для достоверного определения режима фильтрации при различных вариантах конструктивного исполнения в настоящей работе была уточнена методика расчета фильтрации в габионных сооружениях и собраны ценные сведения по фильтрации построенных каменно-набросных сооружений. Существующие методики расчета фильтрации каменно-набросных сооружений (ВНИИГ, Н. П. Пузыревский, С. В. Избаш и др.) не учитывали влияние вертикальной напорной грани на фильтрационный режим. Поэтому был поставлен гидравлический эксперимент и изучен фильтрационный режим в габионных сооружениях. В качестве практических рекомендаций предложены эмпирические зависимости по расчету турбулентной фильтрации через габионные сооружения.

Таким образом, в результате проведенного исследования решены основные задачи, поставленные перед настоящей диссертационной работой:

1. Предложена схема защиты территорий от наводнений с использованием саморегулирующихся фильтрующих плотин;

2. Предложен способ регулирования второстепенных проток в многорукавном русле фильтрующими плотинами;

3. Предложен экстренный способ защиты территорий от наводнений при помощи фильтрующих плотин, образованных взрывом;

4. Проведен анализ имеющихся данных и поставлен эксперимент, по результатам которого уточнена методика расчета фильтрации для плотин из габионной кладки. 1 2 3 4 5 6 7 8 9.