<<
>>

Обустройство локальных селеопасных территорий бассейновых геосистем

  Селевые потоки — это кратковременные разрушительные потоки, перегруженные грязекаменным материалом, возникающие при выпадении дождей или интенсивном таянии снега в предгорных и горных районах, в бассейнах небольших рек и логов с большими уклонами тальвега (/ gt; 0,1).

На территории Российской Федерации селевые процессы распространены в республиках Северного Кавказа, Краснодарском, Ставропольском и Приморском краях, Чувашской республике, Камчатской, Сахалинской, Свердловской и др. областях.

Согласно определению М. С. Гагошидзе, сель является источником природной чрезвычайной ситуации с динамическим, гравитационным, гидродинамическим и аэродинамическим поражающими факторами, проявляющимися в смещении горных пород, ударе и механическом давлении селевой массы, гидродинамическом давлении селевого потока и, соответственно, его ударной волне.

Практика противоселевой защиты выработала большое количество инженерных селезащитных мероприятий, осуществляемых в руслах селевых водосборов. Большинство этих гидротехнических мероприятий не преследуют цели борьбы с самим формированием селевых потоков и потому является пассивным, т. е. защитными или регуляционными. Некоторые же из них, осуществляя защитные функции, в то же время

способствуют изменению природы селевого водосбора, в частности его русла, ослаблению его селевых свойств и потому носят активный характер.

Обустройство локальных селеопасных территорий связано с проведение м следующих гидротехнических противоселевых мероприятий: стабилизацией селевых русел и задержанием селевых выносов выше защищаемого объекта; пропуск селевых потоков через защищаемый объект; отвод селевых потоков от защищаемого объекта; защитой русла от размыва и подмыва; защитой сооружений от ударного воздействия селевого потока.

Для защиты населения и окружающей среды от поражающих воз действий селевых потоков широкое применение получило создание систехМ противоселевых запруд различных конструкций.

Они являются активными противоселевыми мероприятиями, направленными на стабилизацию русел и на затухание селевой деятельности в бассейне. Помимо непосредственного задержания значительного объема селевых выносов, такие системы со временем образуют новый, более пологие уклоны русла на участках возникновения подпора. Во многих случаях это может привести к частичному и даже полному прекращению селевой деятельности на зарегулированном участке и, следовательно, не только к обеспечению селевой безопасности нижерасположенных объектов, но и к затуханию селевой деятельности в бассейне вообще.

Наибольшее распространение среди стабилизирующих противоселевых сооружений получили одиночные и групповые селезадерживаю- щие запруды - барражи. Они представляют собой сооружения из различных материалов (камень, бетон, железобетон, металл), глухие или ре- шетчатые-сквозные, перегораживающие русло селевого бассейна на участках транзитного движения потока с целью перехвата и задержания твердых выносов за их напорными гранями. Такие запруды возводятся, как правило, в местах, где берега русла геологически устойчивы, например, сложены из скальных пород, и само русло жестко фиксировано ими настолько, что обход запруды селевым потоком исключен, и в то же время русловые условия создают возможность аккуму ляции значительного количества селевых выносов с верховой стороны запруды. Высота запруд и их конструктивные элементы определяются, с одной стороны, русловыми условиями (уклон русла, высота берегов) и характеристиками проходящих по руслу селей: их мощностью, глубиной, скоростью, насыщенностью твердыми включениями, средними и максимальными их размерами, реологическим типом селя. С другой стороны, они характеризуются степенью ответственности, заданными параметрами селезадержания и строительными возможностями. Минимальная высота противоселевых запруд, поданным практики, составляет 3—4 м, максимальная — свыше 100 м. Например, Алматинская се- лезадерживающая плотина, рис. 5.32.

Рис.

5.32. Схема поэтапного строительства Алмаатинской противоселевой плотины (Медео) в Казахстане (семидесятые годы XXвека)

История сооружения и эксплуатации противоселевых наносоулавливающих запруд насчитывает уже более ста лет. От сплошных каменных и плетневых запруд, сооруженных во Франции и в Австрии в середине прошлого столетия после катастрофических селей в Альпах, до сквозных железобетонных и металлических запруд и сеток современных конструкций. От запруд одиночек до каскадов, от сооружений высотой 3—5 м до полуторастаметровой — плотины Медео — таков путь, проделанный мировой практикой строительства противоселевых запруд. На этом пути было немало неудач, связанных с отсутствием норм и методов динамического расчета селезадерживаюших сооружений, что во многих случаях приводило к разрушению построенных запруд первыми же селями и вовлечению их материала в массу селевого потока. Но в целом селезадерживающие запруды полностью себя оправдали как одно из основных инженерных средств защиты от селей.

По принципу работы противоселевые запруды могут быть жесткими и гибкими. Первые жестко сопрягаются с берегами и дном русла, вторые в целях амортизации ударной нагрузки имеют гибкие сопряжения с берегами, осуществляемые различными тягами, вплоть до свободного подвешивания к закрепленному в русле каркасу селезадержи вающих сеток и решеток. Сквозные решетчатые селезадерживающие запруды, сооружаемые из металла, по своей конструкции могут иметь не только пространственную схему, как каменные, бетонные и железобетонные, но и плоскую и осуществляться в виде проволочных сетей или плоских металлических решеток. Подобные конструкции еще не нашли широкого применения на практике, но предлагаются различными исследователями и являются весьма перспективными, поскольку они значительно экономичнее дорогостоящих пространственных сплошных запруд.

Одиночные запруды (барражи) являются простым средством задержания селевых выносов, т. е. осуществляют пассивную селезащитную функцию.

Значительно более эффективны системы противоселевых запруд, сооружаемых на более протяженном участке русла. Такие системы осуществляют уже не только пассивную селезадерживающую роль, но одновременно являются активными противоселевыми сооружения ми, направленными на стабилизацию русел и затухание селевой деятельности в бассейне. Помимо непосредственного задержания значительного объема селевых выносов, такая система образует новый уклон русла на участке, подвергшемся запруживанию. При этом уклон, со эдаваемый самими селевыми выносами, всегда положе первоначального (рис. 5.33).

Рис. 5.33. Уположение уклона селевого бассейна системой запруд

Такой уклон при соответствующем размещении каскада запруд и заданной их высоте можно довести до уравнительного, обеспечивающего равновесие в отложении и переносе потоком наносов, когда прекращается дальнейший размыв русла, а также до величины, исключающей дальнейшее движение наносов крупнее заданного размера. Таким образом, при соответствующем протяжении участка запруживания происходит изменение природы селевого русла, достигаемое инженерным вмешательством. Крутой участок становится пологим, транзитное движение селевых потоков, транспортирующих крупные включения прекращается, происходит как бы осветление селевого потока, освобождение его от наиболее крупных фракций.

Последовательное наращивание запруд и придание им заданных высот и расстояний между ними может во многих случаях привести к полному прекращению селевой деятельности на зарегулированном участке и, следовательно, не только к обеспечению селевой безопасности ниже расположенных объектов, но и к затуханию селевой деятельности в бассейне вообще. Вот почему системы селезадерживающих запруд для водосборов следует рассматривать как главное инженерное средство Кррьбы с селями. Не случайно такие системы нашли отражение в крупнейших комплексах противоселевых мероприятий, ныне осуществляемых в районе Лос-Анджелеса (США) и Алма-Аты (Казахстан) для зашиты этих городов от селей, и занимают в этих комплексах ведущее место.

При расчете запруд определяют максимальную нагрузку на напорную грань, аккумуляционную емкость запруды и устойчивость запруд против бокового и донного размыва.

Для жестких запруд расчетное давление селевого потока можно найти по формуле Избаша и Халдре.

(5.15)

где V— скорость движения селевого потока, м/с; с — средняя плотность селевой массы, т/м3; К — коэффициент, зависящий от характеристик соудоряемых тел; q — ускорение свободного падения, м/с2, или по формуле И. И. Херхеулидзе [34].

(5.16)

где Н0 — глубина селевого потока, м.

Аккумуляционная емкость запруды или объем задерживаемых выносов подсчитывается по геометрическому контуру, образуемому запрудой и участком русла, на который распространяется аккумулирующее действие при данной высоте запруды, уклоне русла и плановых очертаниях этого участка. Если допустить параллельность берегов русла и постоянство ширины, то объем задерживаемых выносов рассчитывается по треугольной эпюре (рис. 5.34) и определяется по формуле:

(5.17)

где В — ширина русла, м; Нъ — высота запруды, м; / — длина участка заиливания, м.

При проектировании систем запруд определяют также и расстояние между запрудами при данной их высоте. Это расстояние, равное длине выклинивания, определяется следующим образом.

(5.18)

Для поглощения части селевых выносов на пути следования селевого потока, рекомендуется устраивать глубинные наносоуловители (рис. 5.36) и боковые наносоудерживающие площади (рис. 5.35).

Рис.

5.36. Боковая наносоудерживающая площадка: а — поперечный профиль: 1 - очертание берега до устройства площадки,

2 — площадка, 3 -бытовой горизонт, 4 — селевой горизонт; б — тан: 1 — русло, 2 — площадка

Проблема пересечений селевых русел линейными сооружениями — железными и автомобильными дорогами, ирригационными магистральными каналами, линиями газо- и нефтепроводов, а также пропуска селей через населенные пункты, гидроузлы и другие концентрированные объекты является наиболее актуальной и важной инженерной проблемой, связанной с защитой от селей. С ней чаще всего приходится сталки-

ваться в практике инженерного проектирования. Во многих случаях она связана с проблемой регуляции селей в зоне отложений селевых выносов, которая является особенно опасной для урбанизированных и селитебных территорий.

При назначении и размещении селе пропускных сооружений, разработке их конструктивных очертаний, а также при определении размеров их отверстий должны быть учтены: слабая управляемость селевого потока; малая текучесть; предполагаемые размеры селевого потока; опасность ударного кародирующего воздействия селевого потока на инженерные сооружения.

Игнорирование или неучет этих положений во многом определяло неудовлетворительную работу некоторых существующих селепропуск- ных сооружений.

В зависимости от топографических и инженерно-геологических условий пересечения селевых русел линейными объектами (дорогами, каналами, линиями газо- и нефтепроводов) или селевыми руслами площадных объектов (населенных пунктов, строительных и промышленных площадок и т. д.), а также от характера и размеров селевых потоков заданной обеспеченности, эти потоки могут пропускаться под рассматриваемыми объектами (рис. 5.37), над ними (рис. 5.38), или на одном уровне с ними.

При прохождении дорог вдоль горных рек на участках прижимов к крутое пускающимся скальным склонам селевых долин нередко рациональными видами селепропускных сооружений, обеспечивающих сброс селей над полотном дороги, оказываются специальные селеспуски, представляющие собой лотки, продолжающие селевое русло для перевода селевых выносов на низовую сторону полотна дороги (рис. 5.38). Аналогичные селеспуски сооружаются также при необходимости пропуска селевых потоков и через магистральные ирригационные каналы.

Устройство селепропускных сооружений на одном уровне с защищаемым объектом или несколько ниже него может оказаться рациональным при пропуске селей через населенный пункт, строительную площадку или другой крупный объект. Оно сводится к канализированию русла в пределах защищаемого объекта с приданием стенкам канала-русла высоты, заведомо превышающей максимально возможный горизонт селевого потока (рис. 5.39). Именно таким образом организованы пропуски селей на реках Гетар через г. Ереван, Малой Алматинке через г. Алма-Ату и другие селеподверженные пункты.


Рис. 5.39. Пропуск селя канализированным руслом

При определенных условиях возможен пропуск селевых потоков над линейными сооружениями, например, газо- и нефтепроводами, водопроводами, заключенными в подрусловой тоннель по всей ширине возможного контакта с селевыми выносами, при соответствующей инженерной защите сооружений и их входных и выходных участков. Основным принципом пересечения селевых русел является сведение к минимуму зоны возможного соприкосновения селя с элементами сооружения, через которое он пропускается, при исключении вредного воздействия потока на защищаемый объект. В частности, для железных и автомобильных дорог и трубопроводов оптимальным является пересечение селевого русла в транзитной зоне на участке, позволяющем пересечь его однопролетным мостом с заложением опор выше максимально возможного горизонта селевого потока (ВСГ) (рис. 5.37).

При таком пересечении исключается забивка подмостовых отверстий, завалы полотна, ударное воздействие селя, т. к. в данном случае транзитное русло потока не будет стеснено, а все сооружения мостового перехода-опоры, пролетные строения мостов и само полотно дороги будут расположены выше зоны движения селевого потока. Мостовой переход не нарушает естественный режим движения селя, следовательно, исключается всякое взаимодействие между потоком и сооружением и отпадает необходимость в осуществлении специальных и, как правило, дорогостоящих противоселевых мероприятий. В этом случае отпадает необходимость и в эксплуатационном обслуживании перехода, в затрате средств на расчистку русла и другие мероприятия, связанные с ликвидацией вредных последствий прошедших селей.

Иногда оказывается рациональным туннельное пересечение зон селевых отложений железной или автомобильной дорогой. Такие пересечения эффективны в случаях неизбежности перехода трассой дороги мощного постоянно растущего селевого конуса в его центральной части. Туннельное пересечение исключает необходимость в устройстве се- лепропускных сооружений (за исключением водоотводных канав), но требует надежного инженерно-геологического обоснования устойчивости сооружаемого туннеля.

Пересечения селевых русел ирригационными и другими каналами могут осуществляться как поверху, над каналом, открытыми руслами, так и понизу, под каналом, дюкерами. Практика проектирования и строительства ирригационных каналов в Центральной Азии (Ферганская долина, Голодная степь, Каракумский канал) знает и те, и другие реше ния. Оптимальным следует считать верховое пересечение (рис. 5.40), когда селевое русло проходит над каналом.

Преимущество его перед глубинным (дюкерным) заключается втом, что, будучи открытым, оно позволяет сохранить бытовой уклон селевого русла (или даже увеличить его), а в случае заиления селевыми выносами производить расчистку селеспуска и подходного участка без всяких затруднений, в то время как пересечение под каналом создает опасность забивки селепропускного отверстия и весьма затрудняет возможность расчистки искусственного русла.

Селеотводящие сооружения предназначаются для отвода селевого потока от защищаемого объекта. Подобные задачи часто встречаются при необходимости защитить от селей площадные объекты (населенные пункты, рудники и т. д.) в случаях, когда задержание селевых выносов выше этих объектов по различным причинам исключено или нерационально по технико-экономическим соображениям так же, как и пропуск селей через защищаемый объект. В некоторых случаях, например, при пересечении селевых русел дорогами и канавами, также вполне целесообразно отвести селевой поток. Несколько маломощных соседних селевых русел в этих случаях соединяют в одно и пропускают через отверстие селепропускного сооружения (рис. 5.41).

Рис. 5.40. Пропуск селя через канал

Рис. 5.41. Соединение нескольких селевых русел в одно для их пропуска через дорогу:

Требования к очертаниям и углам поворота селеотводящих сооружений в основном аналогичны требованиям, предъявляемым к селе- налравляющим сооружениям. Здесь приобретает еще большее значение требование осуществлять повороты потока большими радиусами при небольших углах, т. к., в отличие от селе направляющих устройств, при сооружении селеотводящих повороты русла неизбежны, и выполнение указанных требований сопряжено с известными трудностями, диктуемыми либо заданными условиями отвода, либо топографическими условиями местности.

Одновременно в практике инженерной защиты от селевых потоков нашли широкое применение руслоукрепительные мероприятия и сооружения. Наиболее апробированными из них являются: полузапруды и их системы; донные (опорные) русловые запруды, шпоры; сипаи, тетраэдры, габионы; укрепление берегов и дна русла мощением, бетони- ро-ванием и т. д.

Назначение всех перечисленных мероприятий — это защита дна и берегов русла от размыва и истирания селевым потоком, а в ряде случаев защита каких-либо объектов, расположенных вдоль русла, особенно железных и автомобильных дорог.

Полузапруды представляют собой поперечные сооружения, заделываемые в один из берегов, являющийся объектом селезащиты, для отбоя от него потока к противоположному берегу. Обычно они располагаются под некоторым углом к берегу по направлению течения (рис. 5.42).

Длина запруд, их частота расположения, угол наклона, массивность и другие элементы зависят от конкретных условий и задач селезащиты. Материалом сооружений служат так же, как и для подпорных селеза- держивающих запруд, — камень, бетон, железобетон. Иногда они устраиваются в виде радов бетонных блоков (кубов) в один или несколько ярусов (рис. 5.43). Полузапруды являются комплексными сооружениями, т. к. одновременно выполняют две функций: берегоукрепительную, селеотводящую и русловыправительную. Большей частью полузапруды и их системы применяются для отбоя потока к берегу, противоположному тому, по которому проходит трасса железной или автомобильной дороги или располагаются иные народнохозяйственные объекты.

Рис. 5.42. Схема размещения полузапруд

Донные опорные запруды представляют собой укрепления дна русла бетоном или камнем на отдельных участках, опасных в отношении размыва, например перед мостами и другими ответственными русловыми сооружениями.

Рис. 5.43. Полузапруды из бетонных блоков на Военно-Грузинской дороге

Сипаи и черпай — древние простейшие конструкции , на протяжении многих веков используемые в гидротехнике государств Центральной Азии. Они представляют собой трехногие (сиапи) и четырехногие (черпай) козлы, имеющие верхнюю и нижнюю обвязки проволокой. Причем с помощью верхней обвязки их шестообразные ноги соединяются воедино, а с помощью нижней, включающей в себя короткие жерди или доски, создается площадка, загружаемая камнем и хворостом. Иногда с одной стороны они перекрываются плетневыми щитами. Под действием загрузки и местного размыва козловые ноги сипаев и черпаев погружаются в речное дно, чем обеспечивается весьма высокая устойчивость сипайного сооружения. Как правило, последнее представляет собой группу сипаев или черпаев, скрепленных между собой. Их устанавливают в руслах рек с легкоразмываемым руслом в качестве регулирующих и берегозащитных конструкций. Они могут использоваться и в се- леносных реках для защиты берегов от размывов и истирания селем.

Современные бетонные и железобетонные тетраэдры служат той же цели, что и габионы, представляющие собой наполненные крупным камнем и уложенные на дно русла проволочные мешки. Обладая весом в несколько тонн и в то же время будучи простейшими устройствами, габионы защищают дно и берега русла на участке их укладки от размыва и разрушения.

Селезащитные сооружения, предназначенные для защиты ответственных объектов от динамическою воздействия потока, включают в себя различною типа селеотбойные стены, валы, а также селерезы и селеот- бойники, рассчитанные на воспринятое удара селевого потока. Во многих случаях такие селеотбойники устанавливаются несколько выше промежуточных опор мостов через селевые русла в створе этих опор (наподобие ледорезов) для защиты от ударною воздействия отдельных валунов, транспортируемых селями, или потока в целом также, как ледорезы защищают опоры от удара льда.

В отдельных случаях селеотбойными стенами защищают сооружения, находящиеся на пути движения селевого потока — в том числе здания и гидротехнические сооружения.

<< | >>
Источник: под общ. ред. И. С. Румянцева. Природообустройство: территории бассейновых геосистем : Учебное пособие. 2010

Еще по теме Обустройство локальных селеопасных территорий бассейновых геосистем:

  1. Обустройство локальных селеопасных территорий бассейновых геосистем