Регуляционные гидротехнические сооружения на участках рек с мостовыми переходами

Развитие транспортного комплекса в Сибирском и Дальневосточном регионах требует сооружения все большего количества автомобильных и железнодорожных магистралей с входящими в их системы мостовыми переходами, оборудованными регуляционными и водопропускными сооружениями. В среднем на 0,8−1,0 км дороги приходится одно сооружение по пропуску воды. В последние годы XX столетия завершено строительство мостовых переходов федерального значения в городах Барнауле и Сургуте через реку Обь, в г. Омске через р. Иртыш, в г. Томске через р. Томь. Многочисленные мостовые переходы построены при создании Байкало-Амурской магистрали и на введенном в эксплуатацию участке Амуро-Якутского железнодорожного пути.

Несмотря на экономическую депрессию последнего десятилетия в России строительство мостов продолжается. Строится крупнейшая автотранспортная магистраль Сибири М-53 «Байкал» от Урала по южным регионам Сибири до Дальнего Востока. Важным звеном магистрали является строящийся мостовой переход через р. Обь на отрезке магистрали в обход г. Новосибирска. Кроме того, начато сооружение моста этой федеральной автодороги через реку Томь в городе Кемерово. На этом объекте закончено возведение опор и выполняется надвижка пролетных конструкций. Все работы по переходу длиной 634 метра планируется завершить к 2004 году.

Научные и проектные институты также продолжают работать и на весьма далекую перспективу по развитию транспортного комплекса Сибири и Дальнего Востока. Выбран створ мостового перехода через реку Лена в районе г. Якутска, который войдет в серию мостов через реки по трассе будущей грандиозной трансконтинентальной магистрали, которая соединит страны Европейского континента с Северной Америкой через Берингов пролив.

Изучая богатый опыт строительства и эксплуатации мостовых переходов через реки Сибири и Дальнего Востока, к сожалению, пришлось убедиться, что в большинстве случаев проектирование и возведение мостов осуществляется изолированно без учета влияния перехода на изменения руслового процесса и стабильность судоходных трасс, нередко с нарушениями требований СНиПа 2.05.03−84* «Мосты и трубы» и ГОСТа 26 775−85 «Габариты подмостовые судоходных пролетов мостов на внутренних водных путях». Одной из причин таких неувязок и ошибок в проектировании и строительстве мостовых переходов, на основе проведенного анализа ситуации, является нарушение установленного порядка согласования проектов мостовых переходов с государственными бассейновыми управлениями водных путей и судоходства, а также недостаточная изученность воздействия мостовых переходов на русловые процессы и стабильность фарватера.

Последствием таких упущений является трудность прохода судов в зоне моста с возникновением нередких аварий, к несчастью приводящим к потоплению судов и гибели людей.

Кроме того, ледяные заторы на реках из-за стеснения живого сечения потока опорами моста вызывают не только деформации русла, но и приводят к серьезным повреждениям не столько самого моста, сколько регуляционных сооружений и берегоукреплений, входящих в систему перехода.

Изложенные обстоятельства обосновывают актуальность настоящего исследования и диктуют его состав и постановку задач.

Постулатом данной работы является то, что строительство мостов через реки должно быть увязано с безопасным проходом речных составов не только непосредственно через пролеты, но и на водных подходах к ним. Эта проблема обострилась в последние годы, когда в связи с дефицитом финансов выбор трассы в первую очередь определяется стоимостью сухопутных подходов к мосту, створ которого назначается по принципу перекрытия наименьшей ширины русла. Подобный подход приводит к тому, что строительство ведется без учета влияния мостового перехода на русловой процесс. Это вызывает неблагоприятные переформирования русла, что и осложняет судоходство на примостовых участках.

Серьезные и неприятные последствия нередко вызваны ошибками в оценке процесса меандрирования. Начатое в начале XX века изучение развития излучин учеными Н. И. Маккавеевым, И. В. Поповым, P.C. Чаловым, В. В. Дегтяревым, В. М. Ботвинковым еще не получило достаточного научного завершения и явно проявляется необходимость его продолжения, хотя и весьма трудоемкого с многолетними натурными наблюдениями.

Актуальность продолжения изучения процесса меандрирования подтверждается тем, что большинство рек Сибири и Дальнего Востока характеризуются как реки меандрирующие, причем различного типа. Строительство мостового перехода на реках с данным типом руслового процесса вызывает переформирования, которые можно предупредить на стадии строительства возведением комплекса регуляционных и берегозащитных сооружений.

Вторая задача связана с особенностями географического положением рек Сибири, из-за которых вскрытие ледового покрова сопровождается интенсивным ледоходом, с частым образованием мощных ледовых заторов с катастрофическими последствиями. При неудачном выборе местоположения мостового перехода, либо при недопустимом стеснении русла, мост может оказаться причиной образования затора, и как следствие, привести к изменению судоходной трассы в створе моста и на подходах к нему, а также к разрушению регуляционных сооружений.

Третья задача, которая до сих пор в достаточной степени не решена, связана с разработкой аналитической оценки комплексного воздействия на регуляционные и берегозащитные сооружения и откосы берега ветровых и судовых волн на течении мелководной акватории. Задача требовала решения, отличающегося научной новизной. В диссертации приводится расчет высоты волны, возникающей от действия ветра и проходящего судна на течении. Этот расчет позволяет оценить высоту наката волны на откос сооружения или береговую полосу в зависимости от бальности ветра, скорости судна, а также скорости и направления течения.

В-четвертых, поскольку реки на севере регионов протекают в зоне вечной мерзлоты, где возведение мостового перехода может привести к оттаиванию верхних мерзлотных слоев за счет теплопроводности сооружений, а также вызвать интенсивную эрозию береговой полосы, то решение третьей задачи целесообразно продолжить рассмотрением мероприятий по сохранению мерзлого грунта.

Решение перечисленных задач при строительстве мостовых переходов позволит избежать выполнения повторных дорогостоящих регуляционных, дноуглубительных и берегоукрепительных работ в случае интенсивного переформирования береговой полосы.

В диссертационной работе приведены описания негативных последствий, ошибок и упущений при проектировании и эксплуатации мостовых переходов на реках Сибири, вносятся предложения по дополнению нормативных документов по проектированию и эксплуатации водных подходов к мостовым переходам.

Проведенное в работе обобщение материалов о переформированиях русла в пределах примостового участка после завершения строительства позволило предложить методику анализа интенсивности разрушения береговой полосы при прохождении половодий низкой обеспеченности и образовании ледяных заторов на подходе к створу моста.

На основе оценки причин изменения руслового процесса после строительства мостового перехода разработан комплекс мероприятий необходимых для стабилизации русла на примостовом участке. Результаты исследований были рекомендованы для регулирования потока и обеспечения безопасности судоходства на строящемся переходе автодороги «Байкал» через реку Обь (727,175 км от слияния Бии и Катуни), а также для стабилизации береговой полосы на реке Чумыш перед железнодорожным мостом линии Среднесибирская — Омск (747 км) Западно-Сибирской железной дороги. В 8 диссертационной работе даются предложения по устранению препятствий для судоходства при проходе флота под мостами через р. Обь в г. Барнауле и г. Сургуте. Кроме того, предлагаются рекомендации по выбору створа моста через реку Лену Амуро-Якутской железнодорожной магистрали (АЯМ).

Исследования, связанные с прогнозированием руслового процесса, были выполнены в Новосибирской государственной академии водного транспорта, а раздел диссертационной работы, посвященный применению регуляционных гидротехнических сооружений для стабилизации береговой полосы завершен на базе Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основными результатами выполненной диссертационной работы можно считать следующее:

1. Проведен научный анализ и обобщение позитивных и негативных решений, а также их последствий, для стабилизации судоходных трасс и безопасности движения флота при проектировании, строительстве и эксплуатации мостовых переходов через реки Сибири и Якутии.

2. Продолжены исследования В. В. Дегтярева, Н. И. Маккавеева, P.C. Чалова, В. И. Замышляев и В. М. Ботвинкова по разработке методов прогнозирования развития меандрирования при естественных русловых процессах и в условиях антропогенного воздействия. Предложения оформлены в виде методических рекомендаций, использованных при проектировании водных подходов к мостам через реки Обь и Чумыш.

3. Разработан комплексный подход к оценке волновых воздействий на регуляционные сооружения и берега у мостовых переходов — ветровых и судовых волн на течении в мелководной зоне, что позволит оценить возможность размыва откосов при смещении судоходных пролетов моста к одному из берегов.

4. Обоснован подход к выбору комплекса сооружений на примостовом участке, который позволяет стабилизировать трассу потока на длительный период лет без дополнительных затрат в период эксплуатации. В перспективе эти сооружения становятся естественной частью поймы и входят в ее экосистему.

Научная новизна работы определяется следующими моментами диссертации: в прогнозировании процесса меандрирования и устойчивости излучины дается методика определения коэффициента степени податливости береговой полосы размывусформулирован и научно обоснован комплексный метод определения воздействия на регуляционные сооружения и берега ветровых и судовых волн на течении в мелководной зоне, в то время как, в предыдущих работах эти явления рассматривались изолировано и исключительно для крупных водоемов.

Обоснованность и достоверность выполненных исследований подтверждена апробациями разработанных предложений в практическом проектировании на мостовых переходах через реки Обь, Чумыш и Томь, на которых рекомендован комплекс мер по стабилизации руслового процесса с применением регуляционных гидротехнических сооружений.

Рекомендованные в диссертационной работе мероприятия использованы в проектировании комплекса мостового перехода автомагистрали «Байкал» автодороги Омск-Новосибирск на реке Оби (727,175 км от слияния Бии и Катуни), где развитие плановых и высотных деформаций осложняет судоходство и может привести к аварийной ситуации не только в створе моста, но и на близлежащих водохозяйственных объектах и нитках нефтепродуктопроводов.

В работе предложены рекомендации по положению створа мостового перехода через реку Лена Амуро-Якутской железнодорожной магистрали в районе города Якутска из условия безопасного пропуска ледохода и возможности переформирования русла на примостовом участке в случае образования ледового затора.

На основе методики прогноза развития излучин в районе мостовых переходов с учетом берегоукрепительных сооружений в данной работе выполнен прогноз и предложен комплекс выправительных работ по стабилизации русла в районе моста через реку Чумыш на 747 км железнодорожной ветки Омск-Среднесибирская.

Содержание диссертации докладывалось на научных конференциях и семинарах Новосибирской государственной академии водного транспорта,.

Новосибирского государственного архитектурно строительного университета, а также на межвузовской конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири». Мэрией Новосибирска работа признана важной для города.

Основное содержание работы диссертации изложено в тезисах и статьях автора [46, 47, 45], а также научных отчетах, выполненных с его участием [30, 29, 28].