Инновационная технология берегозащиты и ее эффективность в водохозяйственном строительстве Беларуси

ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БЕРЕГОЗАЩИТЫ

И ЕЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ В ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОМ

СТРОИТЕЛЬСТВЕ БЕЛАРУСИ

УДК [574 + 504]

Резюме. В статье приведены результаты натурных наблюдений за берегозащитными сооружениями откосного типа, применяемыми на водохранилищах Беларуси. Определены наиболее распространенные крепления берегов и откосов - железобетонные монолитные либо сборные плиты. Опытным путем выявлено: в результате раскрытия швов плит происходит разрушение и вымыв песчано-гравийной подготовки, образование пазух и ниш в теле подпорного сооружения, что ведет к значительной переработке грунтового откоса. Натурные исследования, а также лабораторные эксперименты позволили установить возможность укрепления откоса самоотмосткой из гравелистых частиц искусственным путем посредством отсыпки грунта с повышенной неоднородностью, имеющего крупнофракционные включения. Показана экономическая эффективность нового типа крепления. Ключевые слова: водохранилища, сооружения откосного типа, крепления, несвязный грунт с повышенной неоднородностью, берегозащита, берегоукрепление, крупнофракционный материал, самоотмостка.

Виктор Левкевич,

профессор кафедры водоснабжения и водоотведения Белорусского национального технического университета, доктор технических наук, доцент

Надежда Батова,

завсектором эколого-экономическихпроблем Института экономики НАН Беларуси, кандидат экономических наук

одохранилища - один из основных и наиболее сложных элементов водохозяйственного комплекса Республики Беларусь. Возведенные на базе рек и озер, наряду с положительным эффектом они оказывают и отрицательное воздействие на окружающую природную среду. Водохозяйственное строительство, связанное с созданием сложных природно-техни-ческих и хозяйственных комплексов в виде искусственных водных

объектов - водохранилищ, ведет к развитию опасных явлений, к которым относится абразия (переработка-разрушение) естественных берегов [1-5] (рис. 1).

В результате этого процесса происходит изъятие сельскохозяйственных земель и лесных угодий из оборота, разрушение селитебных территорий, нарушение условий жизнедеятельности населения, что наносит значительный ущерб народному хозяйству. Основой обеспечения безопасности жизни людей, проживающих вблизи водо-

хранилищ, является достоверный прогноз абразионных процессов и определение современных, эффективных с точки зрения экономики, инженерных мероприятий по бе-регоукреплению [3-5]. Существующие же способы последнего и методы прогноза не всегда позволяют назначить адекватные меры по комплексной берегозащите [3, 6, 7].

Важность данной проблемы подтверждена активно проводимыми в Беларуси реконструкцией, модернизацией и строительством новых гидроузлов и водохранилищ гидроэлектростанций (ГЭС) энергетического назначения. В Беларуси эксплуатируется более 150 водохранилищ (водоемов, имеющих полный объем более 1,0 млн м3), протяженность берегов которых составляет более 1500 км [1-4]. Суммарная же длина берегов водохранилищ, подверженных разрушению,- около 350 км. По данным натурных обследований, проведенных в период 20132017 гг., протяженность поврежденных и разрушенных берегоукрепительных конструкций и сооружений оценена в пределах 110 км, что составляет около 50% длины всех креплений [4, 5].

В соответствии с Государственной программой развития гидроэнергетики в стране строятся каска-

Рис. 1. Вилейское водохранилище. Переработка правого берега

ды водохранилищ гидроэнергетического назначения на реках Неман и Западная Двина [8]. На первой уже возведена Гродненская ГЭС (проектируется Немновская ГЭС), а на второй - Витебская и Полоцкая ГЭС (в планах - Бешенковичская ГЭС) (рис. 2, 3). Перечисленные гидроузлы имеют водохранилища значительной протяженности, с малой площадью водного зеркала и относятся к русловому, так называемому каньонно-му типу с глубоким врезом в речную долину с высокими берегами.

На долю водохранилищ энергетического назначения (с учетом существующих, реконструируемых, модернизируемых и строящихся ГЭС) приходится более 45% всего во-дохранилищного фонда страны [4].

Предварительные прогнозные расчеты показали, что протяженность берегов, подверженных активной переработке, только на водохранилище Витебской ГЭС составит более 12 км, а на водохранилище Гродненской ГЭС - около 10 км. В связи с этой важной для Беларуси хозяйственной проблемой возникла необходимость обобщения накопленного фактического материала и результатов исследований для подготовки научно обоснованных предложений по берегозащите нового типа. Основой разработки перспективного способа крепления послужили материалы собственных многолетних натурных наблюдений и лабораторных экспериментов, фондовые материалы Белорусского

Рис. 2. Гродненская ГЭС

Рис. 3. Витебская ГЭС

Рис. 4. Полоцкая ГЭС

национального технического университета, Белорусского государственного университета, Центрального научно-исследовательского института комплексного использования водных ресурсов, Института мелиорации, Белгипроводхо-за, а также технико-экономические расчеты, проведенные в Институте экономики НАН Беларуси в рамках государственных программ научных исследований.

В качестве защиты от развития эрозионных процессов в практике отечественной берегозащиты применяются стандартные крепления откосного типа различных конструкций - бетонные или железобетонные [3-7] (рис. 4).

Обследование в различных регионах страны (Поозерье, центральная часть, Полесье) водных объектов с различными типами креплений показало, что одна из важнейших причин снижения сроков эксплуатации и надежности бетонных и железобетонных креплений -образование повреждений, вызванное некачественными уплотнением швов и гравийной подготовкой на стадии строительства. Со временем это приводит к деформациям откосов волновым потоком под плитами при различных положениях уровня воды, а также к выносу грунта из-под плит и последующему их разрушению (рис 5).

Наблюдения за рядом водохранилищ страны позволили выявить уникальный природный эффект: при переработке береговых склонов, сложенных несвязными грунтами с повышенной неоднородностью, формируются береговые отмели, покрытые валунами, галькой и другим крупнофракционным материалом, устойчивым к воздействию волн, колебанию уровней, подвижкам ледового покрова и т.д. [3-5]. Валунно-галечниковый материал за счет выноса из слоя наиболее крупных фракций мелких частиц, находящихся между ними, образует естественную самоотмост-

ку на поверхности отмели (рис. 6), которая препятствует разрушению последней.

Лабораторные исследования образования самоотмостки, проведенные в гидротехнической лаборатории Белорусского национального технического университета, позволили изучить механизм закрепления поверхности отмели в зависимости от неоднородности материала и оценить скорость процесса переработки и формирования профиля равновесия. Эксперименты показали, а натурные наблюдения подтвердили, что возможно возникновение двух основных типов профиля, имеющего покрытие из крупнофракционного материала (Ргр): с содержанием последнего более 25% либо менее 50% от объема размываемого грунта (рис. 7).

В результате лабораторных опытов получен ряд расчетных зависимостей для определения отдельных элементов профиля берега, закрепляемого самоотмосткой

Рис. 5. Характерные разрушения железобетонных креплений откосов водохранилищ: А - Заславского; Б - Чигиринского; В - Лепельского; Г - Любанского

Рис. 6. Образование естественной самоотмостки на водохранилищах Беларуси: А - на Заславском; Б - на Дубровском

Рис. 7 Варианты профиля равновесия в зависимости от содержания крупнофракционного материала в грунте [12] А - профиль с призмой 25% < Ргр < 50%; Б - профиль без призмы 10% < Ргр < 25%

(Вп - ширина подводной части отмели) шириной Всотм и толщиной слоя - 6сотм [3, 4, 9] (рис. 7; таблица).

Возможность создания искусственной самоотмостки по аналогии с естественным процессом позволила разработать принципиально новую инновационную методику защиты разрушаемого берега, сложенного несвязными грунтами с повышенной неоднородностью [3, 4]. Наибольший эффект при размыве в виде укрепления берега самоотмосткой дает песчано-гравийная смесь с содержанием крупных частиц примерно 25% из расчета на 1 м3 грунта. Ее оптимальный, установленный опытным путем состав, при котором наблюдается существенное замедление (в результате образования отмостки), а затем и прекращение размыва, определяется наличием

фракций следующих диаметров:

для условий водоемов, где возможна высота волны до 1 м (например, Заславское водохранилище),- ^ = 3,5 см, ^ = 7,5 см, ^ = 13,5 см, ^ = 17,5 см; для водоемов, где высота волны достигает 0,4 м,- ^ = 1,7 см,

^ = 3,5 см, ^ = 6,5 см, = 8,5 см.

Результаты экспериментальных исследований с использованием песчано-гравийной смеси оптимального состава, разрушение которой обеспечивает образование самоотмостки и прекращение раз-

Рис. 8. Варианты укладки смеси оптимального состава при защите разрушаемого берега

Тип профиля с самоотмосткой

Элемент профиля

Расчетная зависимость*

Самоотмостка с призмой на урезе при 25% < Ргр < 50%

Верхний предел размыва и граница самоотмостки

а1 = (1,5 -2,0) Эо,

Нижняя граница самоотмостки а2= 0,36 (г Л 2 3

Внешний край береговой отмели а2 = а\ /0,70

Уклон призмы самоотмостки выше уреза воды ¿, = 0,032 о^г) 0

Уклон поверхности самоотмостки ниже уреза воды

Уклон на нижней границе отмели

и =0,028

+ <„

¿2 = 0,50 г\

Профиль с самоотмосткой без призмы при 10% < Ргр < 25%

Верхний предел размыва и граница самоотмостки

а1 = Эо,

Нижняя граница самоотмостки ¿4=0,27 2 3

^Ао чГ}

Внешний край береговой отмели а2 = а 2 /0,80

Уклон самоотмостки на урезе воды ¿1 = г\

Уклон поверхности самоотмостки ниже уреза воды

Уклон на нижней границе отмели

(,=0,012

<*50

¿2 = 0,60 ¿\

*Примечание к рис. 7 и таблице: а,, а2, а~2 - пределы размыва, глубина в конце самоотмостки, м; ЬЛ - высота волны, м;)— длина волны, м; й50, 050 - средневзвешенная крупность частиц размываемого грунта и частиц самоотмостки соответственно, м; ц0 - коэффициент неоднородности размываемого грунта; ¡0,¡,, Г2 -уклоны исходного профиля и поверхности элементов самоотмостки соответственно; УВБ - уровень верхнего бьефа водохранилища.

Таблица. Зависимости для расчета элементов профиля с креплением самоотмосткой

рушения берега, позволили решить технологическую задачу по стабилизации, торможению процесса переработки берегоукрепления. Были рассмотрены различные варианты укладки на откос (рис. 8):

нанесение смеси на поверхность исходного профиля до заполнения водохранилища (рис. 8а);

укладка смеси на сформировавшуюся в первые 3-5 лет береговую отмель (рис. 8б);

отсыпка смеси в виде бермы до заполнения водохранилища (рис. 8в) и спустя 5 лет после его эксплуатации (рис. 8г). Серия лабораторных экспериментов по оценке действенности вариантов укладки песчано-гра-вийной смеси и берегозащитному эффекту позволила установить, что лучший результат обеспечивает укладка в безледный период для водоемов с величиной сработки уровня верхнего бьефа более 0,5 м (рис. 8б) либо менее (рис. 8г).

Метод нового способа берего-защиты заключается в следующем [3, 4]. В прибрежной зоне водоема, которая может подвергаться переработке перед заполнением или же в первые 2-3 года его эксплуатации, средствами механизации (экскаватором) вдоль уреза воды выполняется вертикальная врезка трапецеидального либо прямоугольного сечения (рис. 9). После

Рис. 9. Защита размываемых берегов путем создания искусственной самоотмостки

изъятия грунта из выемки ее объем заполняется в несколько слоев крупнофракционным материалом: нижняя часть - камнем, середина -гравийной смесью, верхняя - естественным грунтом с повышенной неоднородностью (коэффициент неоднородности, ц0 > 5). Желатель-

но, чтобы врезка заполнялась пес-чано-гравийной смесью оптимального состава.

Расстояние от уреза до оси врезки определяется по результатам прогнозных расчетов линейной переработки (80, Бв), которые выполняются по методикам [4]. Глубина врезки (Нв) принимается равной отметке уровня мертвого объема водоема (УВ) (рис. 9).

Применение и учет в практике проектирования берегозащитных мероприятий эффекта самоотмостки позволит сэкономить дорогостоящие стройматериалы, а также при минимальных издержках провести действенную берегозащиту. Результативность использования явле-

Рис. 10. Искусственная самоотмостка на Заславском водохранилище

ния самоукрепления откоса подтверждается сравнением затрат на укладку 1 м3 гравия на закрепляемый откос и 1 м3 песчано-гравий-ной смеси повышенной неоднородности. Для расчета укладки гравия предлагается формула

С = Тр + П + Сг

где Тр, П, Сг - транспортные и погрузочные расходы, а также стоимость гравия. Укладка же песча-но-гравийной смеси требует следующих затрат:

С = Тр + П.

Предлагаемая инновационная технология предотвращения развития разрушений берегов водохранилищ, отличающаяся высокой эффективностью при относительной дешевизне, основана на использовании естественного эффекта самоотмостки, которая производит надежное крепление откоса и препятствует его дальнейшему размыву (рис. 10).

При выделении величины годовых расходов на эксплуатацию берегозащитных сооружений в отдельную статью затрат, не входящую в расходы всего гидроузла,

сравнение экономической эффективности рассматриваемых вариантов защиты выполняется путем сопоставления суммы капитальных вложений и эксплуатационных расходов, то есть

П = (М + МЛабр.,

где Ц - приведенные затраты по каждому варианту, тыс. руб/год; М{ -годовые эксплуатационные расходы (по вариантам), тыс. руб/год; Ен -нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (0,1-0,18), 1/год; ^ - капитальные вложения по вариантам, тыс. руб.; Ьабр - протяженность участка бере-гозащиты, м.

Как показали расчеты, приведенная технология, в основе которой лежит эффект самоотмостки, примерно в 10 раз экономичнее, чем отсыпка из дорогостоящего гравия или камня. В отличие от традиционных типов креплений откосов, которые не всегда препятствуют деформациям и требуют от службы эксплуатации постоянной подсыпки и ремонта покрытия в местах локальных размывов, применение данного метода позволяет надежно закреплять и стабилизировать берег

в течение 1-2 сезонов [5, 6]. Практика показала, что защита размываемых откосов дамб и плотин на водохранилищах предложенным способом, с учетом использования методики расчета деформаций, дает экономический эффект около 22,0-27,0 тыс. руб. на 1 км закрепляемого откоса (ориентировочная денежная оценка - на период осени 2017 г.). Данный способ был впервые использован в Беларуси на Заславском водохранилище (рис. 10).

Таким образом, применение в практике строительства берегоукрепительных сооружений, использующих естественные грунты, которые имеют включения гравия, гальки, валунов, позволит сэкономить на дорогостоящих строительных материалах, упростить проведение защиты, полностью исключить издержки на эксплуатацию. Способ берегоукрепления с помощью грунтов с повышенной неоднородностью рекомендован для районов Поозерья и центральной части нашей страны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Максимчук В. Л. Рациональное использование и охрана берегов водохранилищ.- Киев, 1981.

2. Пышкин Б. А. Динамика берегов водохранилищ / Б. А. Пышкин // Киев,1973.

3. Левкевич В. Е. Опыт эксплуатации берегозащитных сооружений в Белоруссии/ В. Е.Левкевич // Мелиорация и водное хозяйство.- 1991. № 5. С. 66-74.

4. Левкевич В.Е. Динамическая устойчивость берегов водохранилищ Беларуси / В. Е. Левкевич.- Минск, 2015.

5. Левкевич В. Е. Динамическая устойчивость берегов водохранилищ Беларуси:автореф.дис. ... д-ра техн. наук.- Минск, 2017.

6. Сапожников Г. П. Из опыта эксплуатации креплений верховых откосов земляных плотин и берегов водохранилищ БССР / Г. П. Сапожников, Е. М. Левкевич // Водное хозяйство Белоруссии. 1977. Вып. 7. С. 97-105.

7. Саплюков Ф. В. Защита берегов и дамб на водоемах от разрушения ветровыми волнами / Ф. В. Саплюков, Е. С. Ленартович // Мелиорация и водное хозяйство. 1976.№ 10.С.12-18.

8. Отраслевая программа развития электроэнергетики на 20162020 годы. Постановление Министерства энергетики Республики Беларусь от 31.03.2016 № 8.

9. Михневич Э.И. Устойчивость берегов водохранилищ при формировании профиля динамического равновесия в несвязных грунтах / Э. И. Михневич, В. Е. Левкевич // Мелиорация. 2016. № 4 (78). С. 18-23.

http://innosfera.by/2018/09/water_construction