Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Механизм разрушения лессовых берегов водохранилища

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Механизм разрушения лессовых берегов водохранилища"

Российский государственный гидрометеорологический университет

: од ;млп 1п°л

На правах рукописи УДК 556.557(450.62)

ГАВРЮХОВА Лариса Николаевна

МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ ЙЕССОВЫХ БЕРЕГОВ ВОДОХРАНИЛИЩА (НА ПРИМЕРЕ КРАСНОДАРСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА)

Специальность 11.00.07 - гидрология, водные ресурсы, гидрохимия;

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург, 1998

Работа выполнена на кафедре гидравлики н сельскохозяйственного водоснабжения Кубанского государственного аграрного университета (КубГАУ) в 1994-1998 гг.

Научный руководитель: - доктор технических наук,

доцент АНИКИН В. С.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор КУДРЯШОВ А. Ф.

- доктор географических наук, профессор ЧАЛОВ Р. С.;

Ведущая организация: - Государственное унитарное

специализированное научно-производственное предприятие «КРАСНОДАРБЕРЕГОЗАЩИТА»

Защита состоится « 1998 г. ~~ часов на заседании

диссертационного совета К 063.19.01 в Российском государственном гидрометеорологическом институте по адресу:

195196, Россия, Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98, РГТМУ.

Автореферат разослан « // »¿^/^"¿¿^ 1998 г.

Ученый секретарь диссертациоиного совета, к.т.н. ЛУБЯНОЙ А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема охраны и защиты окружающей среды возникла в эпоху научно-технической революции. Возможные изменения окружающей среды, проходящие под влиянием интенсивного развития различных отраслей хозяйства, требуют разработки научных методов их прогнозирования. От этих методов зависят выбор и обоснование комплекса инженерно-технических мероприятий по защите среды и рациональному использованию природных ресурсов.

В связи с активным строительством водохранилищ нарушается сложившееся природное равновесие. Это влечёт за собой большое количество неразрешенных проблем. Одна из них - переработка берегов водохранилищ. В настоящее время на территории России эксплуатируется около 2250 водохранилищ, 325 из них имеют объём более 10 млн. куб. м. Длина береговой линии этих водохранилищ составляет 89 % от длины берегов всех водохранилищ и равна приблизительно 65500 км, 38 % берегов перерабатываются.

Переработка берегов водохранилищ - переформирование склонов реки, превращенных в берега водохранилищ, происходит под влиянием ветрового волнения, появления оползней и иных явлений, вызывающих обрушения откосов и образование отложений у их подножий и вдоль береговой зоны водохранилища. Переработка берегов существенно влияет на эффективность эксплуатации водохранилищ. Помимо этого переработка берегов приводит к потерям ¡емель и сооружений, расположенных у водохранилища. Изменение рельефа эереговой зоны усложняет работу водного транспорта, водозаборов, насосных гтанций, головных сооружений водоотводящих каналов.

Учет динамики берегов водохранилищ, и проектирование мер борьбы с ней необходимы для строительства, транспорта, линий электропередач, линий связи, трубопроводов, и т. д.

Процесс разрушения берега волнами является непрерывным. В зависимости от конкретных условий интенсивность переработки берегов различна и в некоторых случаях может быть довольно значительна.

В данной работе процесс разрушения берега волнами рассмотрен для правобережья Краснодарского водохранилища на реке Кубань. При проектировании водохранилища была принята теория переработки, согласно которой обрывистый берег под действием волн постепенно превратится в пологий и абразионный процесс практически затухнет.

Однако проектный прогноз самовыполаживания не оправдался. Двадцатипятилетняя эксплуатация показала, что переработка правого берега продолжается и берег отступает параллельно самому себе, на отдельных участках сс скоростью до пяти метров в год. При этом безвозвратно уничтожаются ежегодно десятки гектаров пашни ценнейших Кубанских черноземов.

Таким образом, изучение переработки берегов водохранилищ с цельк создания действенных методов прогнозирования их и крепления представляете) актуальным.

Целью настоящей работы является:

- разработка методики оценки изменения формы и размеров ниш в выпо ложенных берегах во времени на основе существующих экспериментальны; данных;

- оценка напряженного состояния обрывистых берегов с целью определе ния условий их обрушения в зависимости от глубины ниши;

- разработка инженерного метода оценки условий обрушения в зависимо сти от глубины ниш в обрывистых и выположенных берегах.

Методы, используемые в процессе исследований.

1. Геодезическая съемка электронным тахеометром формы и размеров ниш в натуре.

2. Математическая обработка существующих экспериментальных данных путем апроксимации формы ниш в выположенных откосах для последующего . численного дифференцирования и нахождения скоростей формирования ниш.

3. Метод конечных элементов для исследования напряженного состояния берегов с нишами.

4. Методы сопротивления материалов для создания инженерного метода оценки замедления переработки при выполаживании обрывов.

Научная новизна состоит в том, что:

- впервые для обрывистых берегов Краснодарского водохранилища определены формы и размеры ниш, образующихся в процессе переработки берегов и приводящих к обрушению вышележащего грунта;

- установлено изменение во времени формы и размеров ниш после выпо-лаживания откосов;

- исследовано сложное напряженное состояние берегового массива при наличии в нем ниши размыва;

- впервые оценена скорость разрушения обрывистого берега, сложенного лессовыми грунтами.

Практическое значение работы состоит в том, что на основании натурных и теоретических исследований:

- разработан инженерный метод расчета скорости переработки обрывистых и выположенных берегов с нишами;

- получена методика оценки замедления скорости переработки обрывистых берегов при их выполаживании.

Данный метод рекомендуется использовать при проектировании берегоукрепительных мероприятий на Краснодарском водохранилище и аналогичных по геологическому строению берегах.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных конференция Кубанского госагроуниверситета (секция "мелиорация и гидротехническое строительство") в 1995, 1996 и 1997 годах; на второй Кубанской конференции общественных экологических организаций "Экологическая безопасность и устойчивое развитие Кубани" в 1996 году; на 12-м межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов, г. Пермь, 1997 год. В полном объёме работа обсуждалась на объединённом заседании кафедр гидравлики и сельскохозяйственного водоснабжения и геодезии Кубанского аграрного университета в 1998 году.

Публикации. По результатам работы опубликовано 3 научных статьи и издан 1 информационный листок.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 122 страницах машинописного текста, включая введение, четыре главы, выводы, 44 рисунка, 4 таблицы, список литературы из 89 наименований и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 приводится обзор литературных источников по проблемам прогнозирования переработки берегов и существующих подходов к её решению. Практически все исследователи отмечают, что определяющим фактором переработки берегов является ветровое волнение.

Наиболее значительными работами в области исследования ветрового волнения являются работы В. В. Шулейкина, Л. Ф. Титова, а применительно к вопросам формирования водохранилищ П. К. Божича, Н. Н. Джунковского,

С. Л. Вендрова, А. П. Браславского, Е. Г. Качугина, Н. Е. Кондратьева, В. В. Лонгинова, Е. М. Селюк, Ю. М. Матарзина и др.

Некоторые исследователи (О. К. Леонтьев, Г. И. Рычагов) считают, что абразия по мере своего развития создаёт условия, которые ставят предел абразионному процессу. Иконников Л. Б., Ланге К. О. и др. отмечают, что на водохранилищах вместе с расширением прибрежной отмели идёт постепенное вы-полаживание берега.

Но как видно из практики эксплуатации водохранилищ, а также из наблюдений за берегами морей (Балгареев М. А., Качугин Е. Г., Сафьянов Г. А., Зенкович В. П. и др.) во многих случаях относительная стабилизация берегов не наблюдается и, таким образом, остается открытым вопрос прогнозирования переработки берегов.

Зенкович В. П., Качугин Е. Г. и др. отмечают образование ниш и цикличность в обрушении берега.

Финаров Д. П. существующие методы прогнозирования переформирования берегов водохранилищ условно разделяет на три группы: энергетические, графоаналитические и методы аналогий. В частности, им же предложен метод геоморфологического моделирования.

Качугин Е. Г., Васильева Е. Ф., Гречищев Е. К., Филиппова И. Я. .рекомендуют прогнозы, основанные на определении по эмпирическим формулам объёма размытой породы с последующим построением профиля размываемого берега путём применения формул, графиков и таблиц.

Золотарёв Г. С., Пышкин Б. А., Лабзовский Н. А., Розовский Л. Б., Булах В. Л., Красножон Г. Ф., Попов Б. А. предлагают прогнозирование, основанное на решении задач обратным путём: сначала вычерчивается профиль абразион-. ного берега в соответствии с различного рода рекомендациями, а затем по профилю определяются размеры абразии.

Метод природных аналогий предложен Розовским Л. Б. для отдельных участков.

Кондратьев Н. Е. для прогноза переработки берегов, сложенных песчаными, супесчаными и галечниковыми несвязными породами предлагает расчёт предельного абразионного переформирования берегов однородного геологического строения.

Способ расчёта переформирования берегов однородного геологического строения на заданный срок предложен Е. Г. Качугиным.

Варазашвили Н. Г. (ГрузНИИГиМ) разработана методика для доставления прогноза в условиях горных водохранилищ.

Решение объёмной задачи прогноза рекомендуется также выполнять с применением метода Б. А. Пышкина путём расчёта уравнения баланса наносов. Учет наносов для расчета переработки предлагает Ярославцев Н. Я.

Есин Н. В. для определения скорости отступления клифа, углубления бенча приводит систему 2-х дифференциальных уравнений первого порядка.

Механизм разрушения вертикального откоса в лессовидных суглинках рассмотрен Шадунцем К. Ш. и Ляшенко П. А. Шадунцем К. Ш. рассмотрен также механизм подмыва и обрушения лессовых берегов р. Кубань.

Закономерности возникновения и развития оползней освещены в работах Емельяновой Е. П., Золотарёва Г. С., Печеркина И. А. Разрушение берегов Азовского моря рассматривают Артюхин Ю. В. и Мамыкина В. А.

Аникин В. С. предлагает алгоритм расчёта на ЭВМ ниш размокания, позволяющий рассчитать форму ниши по графику изменения уровня.

Обширная литература посвящена расчётам устойчивости откосов. В последние десятилетия это направление опирается на метод конечных элементов и метод граничных элементов. Следует отметить работы Бугрова А. К., Зарец-кого Ю. К., Васильева И. М., Ещенко О. Ю., Нарбута Р. М., Розина А. К., Фадеева Н. М., Сапожникова А. И., Незамутдинова Ш. Р., Баранова И. В. и др.

В заключение отмечается, что в настоящее время существующие методы прогнозирования переработки лессовых обрывистых берегов водохранилищ, которые соответствовали бы берегам Краснодарского водохранилища, нуждаются в уточнении, особенно для берегов с нишами.

Во второй главе описаны результаты натурных измерений и наблюдений, выполненных при изучении процессов переработки берегов Краснодарского водохранилища.

На всём протяжении от хутора Ленина до г. Усть-Лабинска береговая линия представлена обрывистыми берегами, далее именуемыми обрывами. Они сложены легкоразмываемыми лессовидными суглинками, подверженными переработке. По береговой линии и в устьях главных притоков, впадающих в водохранилище, была расположена сеть пунктов наблюдений, проводимых Озёрной станцией по договору с ГГИ. Однако наблюдения, проводимые Озёрной станцией с 1974 года, в настоящее время прекращены из-за отсутствия средств. Аппроксимировать полученные ранее данные не представляется возможным вследствие изменения режима эксплуатации водохранилища, так как с 1992 года НПУ понижен на 1,5 метра.

Натурные наблюдения, которые выполнены нами, проводились на правом обрывистом берегу Краснодарского водохранилища на участке станица Старокорсунская - хутор Ленина. Они показали, что в вертикальной стенке обрыва формируются ниши - углубления на отметках изменения уровня и волнового воздействия.

Ниши образуются из-за замачивания, размокания, размыва волнами и течениями, они подрезают обрыв и способствуют обрушению берега. Нависавший над образовавшимися нишами грунт, при достижении нишей определённой глубины, обрушивается. Обвалившийся грунт, как правило, в виде столбчатого монолита, медленно размокает, превращаясь в конус размыва, и некоторое время защищает берег от дальнейшего волнового воздействия, а затем постепенно смывается в водохранилище.

Натурные измерения проводились в сентябре-октябре-ноябре 1994, 1995 и 1996 гг. Для измерения формы и размеров ниш в обрывистых берегах Краснодарского водохранилища использовался электронный тахеометр Та-3. Для наиболее точного определения пространственного местоположения характерных

точек обрывистого берега применялся малый отражатель (без внешнего оформления) светодапьномера "Блеск".

Повторная съёмка через промежуток времени кратный сработке водохранилища и сопоставление двух планов даёт полную картину изменения формы ниши на любом её участке.

Помимо измерений формы и размеров ниш, проведены натурные измерения массивов.обрушившегося грунта, раннее нависавшего над нишами, от стадии появления начальной трещины до образования конуса размыва.

Как показали наблюдения, обрушение грунта, нависающего над нишами, происходит следующим образом. При достижении нишей некоторой определенной глубины на дневной поверхности грунта образуется трещина откола, которая постепенно увеличиваясь по длине, ширине и глубине приводит к значительному обрушению грунта нависающего над нишей. Длина, ширина и глубина трещин откола измерялась с помощью миллиметровой рулетки. Причем глубина трещины, наблюдающаяся визуально по линии выклинивания её, измерялась по поверхности обрыва.

По результатам наблюдений все ниши имеют вытянутую форму вдоль уреза воды. Длина ниш достигает 2,5 м и более, высота 1,5-2,0 м, глубина 1,01,5 м, а шаг ниш от 3 до 11 метров. Причём ниши с малым шагом в процессе своей эволюции могут соединяться, приводя в конечном итоге к обрушению значительных объёмов грунта. Около некоторых ниш имеются конусы продуктов абразии. Часть ниш полностью засыпана грунтом. Грунт сохраняет столбчатую структуру. Ось углубления ниш ориентирована перпендикулярно плоскости вертикального берега.

В верхней части обрывистого берега чётко прослеживается почвенный горизонт мощностью 1,5 м. Ниже расположены лессовидные суглинки макропористые, просадочные с природной влажностью 0,04.

По результатам электронно-тахеометрической съёмки построены планы ниш (рис. 1) в горизонталях. При этом направление оси У совпадает с направлением обрывистого берега водохранилища; ось X перпендикулярна берегу

(плоскости рисунка) и для наглядности картины оцифровка её принята условной, а положительное направление принято навстречу наблюдателю. Ось // выражает условные отметки. Сечение рельефа ниши принято с "высотой" 0,25 м. Под "высотой" здесь понимается постоянное значение сечения координаты Л'.

н, м

k- I- U-

нг нг ^г

Рис. 1. План ниши размыва в горизонталях (на плоскости параллельной вертикальной стенке обрыва).

На рисунках 2 и 3 приведены горизонтальные I-I и вертикальные II-II сечения ниши, проходящие через самую глубокую её точку, а также сечения в 30 см выше-ниже и правее-левее указанной точки.

Горизонтальные сечения ниш (рис. 2) дают основание утверждать, что размыв их несимметричен относительно самой глубокой точки. Эта точка заметно смещена к западной части ниши (к началу оси Y). Эта тенденция наблюдается практически на любой высоте сечення.

_ сечение I- Г

/ / \ \ сечение В - 5

сеуение А-А \

45,2 45.6 46.в 472 47.6 430

Рис. 2. Горизонтальные сечения ниши, приведенной на рисунке 1.

Рис. 3. Вертикальные сечения ниши, приведенной на рисунке 1.

Вертикальные сечения ниш (рис. 3) показывают, что центральная самая глубокая часть располагается, примерно, на 3/4 выше обшей её высоты. Уклон верхнего свода колеблется в пределах от 1:4 до 1:3, а нижнего, по которому скатываются продукты размыва, около 1:1.

Можно отметить также, что линии всех сечений примерно параллельны друг другу, что указывает на равномерность хода процесса размыва по высоте. Измеренные нами ниши отличаются от известных схематичных изображений, а также с формой ниш, ранее рассчитанных теоретически другими исследователями.

Отличительные особенности сводятся к следующему:

1) не симметричность в плане;

2) заострённость самой глубокой точки ниши;

3) «трёхзвенность» профиля: плоская наклонная кровля, откос заложением 1:1, слабонаклонённая терраса (отмель).

Вместо ниш, форма и размеры которых измерялись в сентябре-октябре 1994 года, в октябре 1995 года и ноябре 1996 года наблюдались многочисленные обрушения обрывистого берега. Внешне по форме обрушившийся грунт напоминает "лопату".

Обнажившийся после сработки водохранилища обрыв правого берега позволил провести подробные линейные замеры массивов обрушения на всех стадиях: от момента образования трещин закола на дневной поверхности до образования бесформенных конусов размыва обвалившегося грунта.

Высота обрыва на исследуемом участке практически постоянна. Ojia колеблется в пределах 7,50 - 7,90 метра. Трещины закола над нишами на дневной задернованной поверхности грунта имеют ширину от 6 до 13 см. Это даёт основание полагать, что 13 см является предельной шириной трещин и дальнейшее их увеличение приводит к нарушению устойчивости нависающих масс. Трещины закола чаще непрерывны на дневной поверхности, но встречаются и пунктирного вида. В плане габаритные размеры элементов берега, отсс ::аемых трещинами закола, колеблются от 0,98 х 2,80 до 0,81 х 7,30 м. Эти же размеры по

результатам замеров уже обрушившихся массивов достигают величин порядка 1,30 х 17,40 и 1,20 х 22,60 метра.

Глубины трещин закола, измеряемые в местах выклинивания их на вертикальный уступ обрыва, составляли от 0,98 м, при ширине трещин 6 см, до 2,10 м, при ширине трещин 13 см.

Обрушившиеся столбчатые массивы грунта, не подвергшиеся волновому воздействию, у основания имеют ширину в 2,5 раза больше чем поверху. Сравнение площадей поперечного сечения обрушившегося трапецеидального массива и прямоугольного, до обрушения, позволяет определить приблизительные размеры существовавшей здесь ниши размыва и кроме того позволяет высказать предположение, что увеличение ширины массивов обрушения у подошвы происходит вследствие разрушения нижних водонасыщенных слоев грунта под действием веса верхних слоев.

Для сравнения в нижнем бьефе Краснодарского водохранилища был исследован обрывистый берег р. Кубань ниже г. Краснодара. Исследуемый обрыв имеет слегка вогнутую форму и подвержен интенсивному прибрежному течению со скоростью 0,8-1,0 м/с. Его восьмиметровая отвесная стена оканчивается внизу под поверхностью воды трёхметровым береговым откосом, уходящим под воду под углом около 45°. Контакт реки и берега осуществляется именно через этот береговой откос.

Откос практически не разрушается течением реки, а частичный его размыв пополняется за счёт незначительного разрушения отвесного берега.. Под действием атмосферных явлений берег отступает со скоростью не более 5 см в год.

Таким образом, из результатов исследований обрывистых берегов Краснодарского водохранилища и реки Кубань в нижнем его бьефе следует вывод, что наличие размывающих течений не является основным берегообразующим фактором. Основное значение в этом процессе имеет волновое воздействие, направленное по нормали или под некоторым углом к. берегу.

Этот вывод подтверждают формы и размеры ниш: все они вытянуты вдоль уреза воды; наиболее глубокая часть их смещена в сторону, противопо-

ложную направлению господствующих ветров; высота нищ не превышает максимальной высоты волн, наблюдаемых в акватории водохранилища. Массивы обрушения имеют четкие вертикальные грани, что указывает на недопустимость применения расчета устойчивости обрыва способом скольжения по круг-лоцилиндрическим поверхностям.

В третьей главе, «Исследование формы волноприбойных ниш во времени», приводятся результаты математического анализа эксперимента по волновому разрушению искусственно выположенного откоса. Исследован опыт Н. В. Есина, проведенный по методике института океанологии АН СССР, описанной Б. А. Поповым и Г. А. Бастраковым.

Модель берегового откоса подвергалась постоянному 22-х часовому волновому воздействию и в конечном итоге позволяла проследить начальную стадию разрушения искусственно выположенного берегового откоса. Формирующийся береговой откос прослеживался в его вертикальном сечении нормальном к направлению движения волн. Для активных глубин эксперимента (от формирующегося профиля равновесия до отметок с максимальной высотой волн) получено уравнение берегового профиля в виде:

^ = ^---'— (1)

21,107 - 0,754 ■ I - х

где х - горизонтальная координата сечения откоса, см; у - вертикальная координата сечения откоса, см; ^ - время эксперимента, час.

Уравнение вполне удовлетворительно описывает формирующийся береговой профиль в интервале 4-22 часа от начала эксперимента. Окончательная обработка опытных данных выполнена с помощью ЭВМ и в итоге получены графики изменения горизонтальной и вертикальной скорости размыва выположенного откоса с течением времени, а также графики изменения уклона поверхности откоса на различных глубинах. На рисунках 4 и 5 приведены графики изменения горизонтальной скорости размыва и изменения уклона поверхности откоса.

4 6 а >о и /■# га га го ¿2 / ,час

Рис. 4. Изменение горизонтальной скорости размыва выположенного откоса с течением времени. (1 - Г=7; 2 - У=9; Ъ-У=11; 4-7=75; 5 - У=15 (урез) ; 6 - У=17см)

С 1

Рис. 5. Изменение уклона поверхности откоса на различных глубинах с течением времени. (1 - У=17; 2 -У=15(урез); 3-Г=13; 4 -У=11; 5-К=9; 6 -У=7 см)

Оказалось, что горизонтальная скорость размыва выположенного откоса на всех активных глубинах постепенно снижается, примерно, по линейному закону. На больших глубинах (малых отметках, У = 7 см) начальная горизонтальная скорость размыва откоса значительно (более, чем в 3 раза) превышает скорость на урезе воды и выше него. Скорость горизонтального размыва откоса на отметке У = 17 см (на 2 см выше отметки уреза) почти постоянна, но значительно отличается от нуля (>/ см/час). Это означает, что выполаживание не останавливает процесс разрушения берега в активной зоне волнового воздействия.

Что касается уклона берегового профиля (рис. 5), то к середине эксперимента значение ; = 1, соответствующее 45°, превышается на всех активных глубинах и над поверхностью воды (кривые 1, 2, 3 и 4). К концу эксперимента на линии уреза (кривая 2) и выше уреза на 2 см (кривая 3) углы наклона поверхности откоса превышают 70°, т. е. приближаются к обрыву.

Из графика изменения вертикальной скорости следует, что процесс разрушения берегового откоса распространяется только до глубины, на которой начинается формирование профиля равновесия.

По результатам математической обработки экспериментальных данных сделано заключение, что искусственное выполаживание откоса не останавливает разрушающего действия волн. Прибойная зона, активно перерабатывая материал откоса, сравнительно быстро перемещается по нормали к берегу, превращая откос в обрыв с высотой, незначительно превышающей высоту волн. Дальнейшее волновое воздействие на сформировавшийся обрыв приведет к образованию ниш размыва, предельная глубина которых определится только прочностными характеристиками нависающего грунта.

В главе 4 сделан анализ сложного напряженного состояния в массивах грунта над нишами и предложен инженерный метод анализа напряжённого со-

стояния обрывистых берегов. Так как местоположение плоскости отрыва неизвестно, то анализу следует подвергнуть напряжённое состояние всего массива обрушения и близлежащего к нему грунта берегового уступа. С точки зрения плоской задачи, для получения расчётной схемы условной вертикальной плоскостью рассекли береговой откос через самую глубокую точку ниши перпендикулярно береговой линии. Параметры ниши приняты по натурным данным, соответствующим сечению II-II на рисунке 3. Глубина проникновения секущей плоскости в берег принята равной высоте откоса. Приняв, что данный фрагмент плоского сечения берега жестко защемлен в основании (внизу), а остальные его грани могут свободно перемещаться, рассмотрено сложное напряженное состояние под действием гравитационных сил." Подобное исследование проведено, используя метод конечных элементов строительной механики.

Расчёт напряжённого состояния берегового массива под действием гравитационных сил выполнен на ЭВМ по типовой программе «COSMOS». Результаты получены в форме изолиний для каждого конкретного вида напряжённого состояния.

На рисунке 6 приведена картина распределения главных напряжений, полученная в результате расчета.

Растягивающие напряжения занимают практически весь рассматриваемый объем грунта выше береговой ниши. Наиболее опасные из них, с точки зрения нарушения прочностных характеристик грунта, располагаются над нишей, на глубине самой глубокой её точки (заштрихованная область на рисунке 6). Можно утверждать, что вероятный разрыв сплошности грунта произойдет именно здесь, т. е. на глубине ниши или незначительно превышающей её.

Опираясь на картину распределения главных напряжений в обрывистых берегах с нишами, разработан инженерный метод анализа для определения предельной глубины ниши размыва, не приводящей ещё к обрушению вышеле-

Рис. 6. Распределение главных напряжений а1 в сечении.

жащих слоев грунта. В основе метода принята гипотеза о треугольной форме эпюры растягивающих напряжений в момент отрыва нависающего над нишей грунта. Расчетная схема к инженерному методу анализа приведена на рисунке 7.

После составления уравнения моментов всех действующих сил относительно самой глубокой точки ниши и проведения математических преобразований, получено выражение предельной глубины ниши, не приводящей к обрушению берегового массива:

где у - объемный вес грунта;

стр - предельное напряжение, выдерживаемое грунтом без разрыва сплошности.

Рис. 7. Расчётная схема к инженерному методу анализа напряженного состояния обрывистых берегов с нишами

Предельное напряжение ир в каждом конкретном случае следует определять по результатам натурных измерений обрушившихся массивов грунта.

Расчетная схема к инженерному методу анализа напряженного состояния выположенных берегов приведена на рисунке 8.

При обозначении коэффициента заложения выположенного откоса (котангенс угла наклона поверхности к плоскости горизонта) через т, а верхового откоса ниши через пи, после составления уравнения моментов и математических преобразований получено выражение предельной глубины ниши:

2 • ап (т + тЛ

-^-11 ■ (3)

у т ■ тх

^^^ /

и

)

\ л /

С

Рис. 8. Расчетная схема к инженерному методу анализа напряженного состояния выположенных берегов с нишами

Простое сравнение выражений (2) и (3) не позволяет однозначно определить эффективность искусственного выполаживания для защиты берега от обрушения. После взаимного исключения ар из (2) и (3) получается выражение предельной глубины ниши выположенного откоса в зависимости от предельной глубины ниши в обрыве до выполаживания:

_ 3-¿/2 (т + тх)

Н т-т1

(4)

С достаточной степенью достоверности можно утверждать, что условия (скорость) образования ниши в обрыве и выположенном на его месте откосе будут одинаковыми. Тогда коэффициент замедления переработки искусственно выположенного откоса по сравнению с обрывом будет равен:

З^М, (5)

¿обр тт\ »я

2 с

где а =--—.

3 у

Формула (5) позволяет оценить эффективность искусственного выпола-живания откосов, применяемого в целях временной меры берегозащиты.

Выводы. 1. За двадцатипятилетний период эксплуатации Краснодарского водохранилища прогнозируемого естественного выполаживания берега не произошло.

2. Наблюдениями автора установлено, что переформирование правого берега происходит по схеме: образование ниши размыва на уровне волнового воздействия - обрушение (сползание) вышележащих слоев грунта в прибойную зону - смыв обрушившегося грунта в чашу водохранилища - образование ниши размыва в обнажившемся обрывистом берегу. Результаты натурных наблюдений позволяют:

а) проследить связь между высотой берега и глубиной ниши в момент обрушения и использовать эту связь для создания инженерного метода расчета скорости переработки;

б) использовать в расчетах напряженного состояния берегов реальные формы ниши без замены их схемами и абстрактными моделями.

3. Математическая обработка опубликованных ранее в литературе результатов опытов по размыву пологих откосов позволила оценить скорость превращения пологого откоса в обрывистый. Подводная часть выположенного откоса размывается быстрее. При этом горизонтальная скорость размыва на уровне (глубине) профиля равновесия более чем в 3 раза превышает скорость отступления берега по урезу воды. Итогом такого соотношения скоростей размыва откоса является образование обрыва, а на следующем этапе - ниши размыва.

4. По результатам исследований сложного напряженного состояния натурного берегового уступа с нишей под действием гравитационных сил установлено, что главные растягивающие напряжения, способные превысить предел прочности грунта на разрыв, формируются в вертикальной плоскости, парал-

дельной береговой линии и удаленной от обрыва на расстояние равное или незначительно превышающее глубину сформировавшейся здесь ниши.

5. На основе заключения о местоположении плоскости разрьгва берегового уступа с нишей разработан инженерный метод анализа напряжённого состояния обрывистых и выположенных берегов с нишами. Предельная глубина ниши в обрывистом берегу определяется по формуле (2).

6. Предельная глубина ниши в искусственно выположенном откосе,, приводящая к его обрушению, определяется по формуле (3). При этом до выпола-живания из натурных наблюдений должны быть известны высота обрыва и предельная глубина в нём ниш обрушения.

7. Установлено, что увеличение коэффициента заложения искусственно выположенного откоса приводит к уменьшению глубин ниш обрушения, формирующихся в нём. Эффективность искусственного выполаживания откосов, применяемого в целях временной меры берегозащиты, следует оценивать по формуле (5).

Список работ, опубликованных по теме диссерташш

1. Натурные измерения в обрывистых берегах Краснодарского водохранилища. В кн.: Двенадцатое межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. (Пермь, 23-25 сент. 1997 г.) Краткие сообщения МГУ; Пермь ун-т. - Пермь, 1997 (Совм. с Аникиным В. С.).

2. Способ определения объемов выработок грунта при переработке берегов водохранилищ с помощью электронного тахеометра. - Краснодар, 1994. (Информ. листок /Краснод. ЦНТИ; № 303-94), (Совм. с Аникиным В. С.).

3. Результаты измерений формы абразионных ниш правого берега Краснодарского водохранилища. В. сб. Десятое межвузовское координационное совещание по ггооблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Вологодский политехнический институт.-Вологда, 1995 (Совм. с Аникиным B.C.).

4. К вопросу устойчивости правого берега Краснодарского водохранилища. В сб.: Научные основы современных технологий сельскохозяйственной мелиорации: Тезисы докладов. - Краснодар, КГАУ, 1997 (Совм. с Аникиным В. С.).