книги из ГПНТБ / Финаров Д.П. Динамика берегов и котловин водохранилищ гидроэлектростанций СССР

реработки берегов при слабом волнении по сравнению с Куйбышевским водо­ хранилищем. Это отличие обусловлено особыми свойствами лессовых пород Ташкентского водохранилища — быстрой размокаемостью, изменением струк­ турных связей и прочности, распадом ни элементарные частицы и агрегаты, которые уносятся низкими волнами при заплеске. Следовательно, в размыве берегов Ташкентского водохранилища роль волны как основного фактора значительно уменьшается, а иногда равна нулю. Поэтому применение энер­ гетических методов расчета переработки для лессовых берегов водохранилищ Средней Азии весьма ограничено.

Формирование отмели происходило в три этапа в течение одного сезона эксплуатации. В первый этап — период наполнения — размывается отмель, обра­ зованная в предыдущем году. Во второй этап — период стояния высоких уров­ ней после достижения ШІ У - отмель развивается на новых отметках за счет отступания надводного откоса. Происходит аккумуляция пылевато-илистых наносов на отмели в полосе 10—15 м от уреза воды. В третий этап — во время ерабо_тки водохранилища —прЬисходит размыв отмели, сопровождающийся про­ явлением сплывов и оплывин. Отмеченные этапы отражают один цикл в тече­ ние сезона. В связи со скачкообразной сработкой уровня отмель образуется ступенчатой формы. В верховьях водохранилища, где осушаются большие пло­ щади, ступеней на отмели больше, но они ниже, чем в средней части. Породы, размытые па поверхности отмели, составляют 10—25% от общего объема раз­ мытых пород за 1 год.

На Южно-Сурханском, Каттакургапском и других сходных водохранили­ щах Средней Азии 3. Халматовым н Р. Н. Халмртовой {101] также установ­ лены три последовательно сменяющихся этапа формирования отмелей.

§ 5. Котловинные озерные водохранилища

Котловинные озерные водохранилища, образованные в результате не­ большого подпора естественных озер или затопления котловин ранее сущест­ вовавших озер (Рыбинское), характеризуется небольшими колебаниями уров­ ня в безледоставный период и в течение года обычно не более 4—6 м.

Береговая линия вновь образованных водоемов при небольшом подпоре «вписывается» в очертание береговой зоны ранее существовавших озер. По­ этому берега озерных водохранилищ большей частью формируются в преде­ лах отмелей или уступов древних террас.

Берега водохранилищ, совпадающие с очертаниями древних отмелей или поверхностей террас, обычно низкие и от.челые, развивающиеся, как правило, но аккумулятивному типу при сложении берегов рыхлыми отложениями. При отсутствии рыхлых отложений эти берега сохраняют устойчивое нейтральное состояние. Примером является Рыбинское водохранилище, вписавшееся в очертания береговой линии • древнего озера [140, 141]. Здесь наибольшее рас­ пространение получили низкие нейтральные берега. Переформирование берегов происходит наиболее интенсивно в заливах при устьях рек, где формируются обвалыю-осышше абразионные берега.

В идеальном случае «вписания» водохранилищ в береговую полосу древ­ них озер в верхней части зоны взаимодействия берега и водной массы долж­ ны быть все геоморфологические элементы отмели, включая пляж. Itpn нали­ чии широкой отмели (200—250 м и более), но при отсутствии пляжа берег будет подвергаться значительным размывам. Вместе с тем размывы будут сравнительно невелики и иметь быстро затухающий характер, так как форми­ рование берега сразу происходит по абразионно-аккумулятивной стадии, ми­ нуя стадию абразионных отмелей. Примером неполного «вписывания» в бе­ реговую полосу может быть озеро Байкал, уровень которого поднят на 1,2 м. Здесь наиболее значительные переформирования берегов происходят также при устьях рек, впадающих в озеро, где получили развитие берега, сложен­ ные рыхлыми породами. В связи с небольшим подъемом площадки древних террас затоплены мало. Тем не менее формирование новых отмелей проис­ ходит при повышенном уровне, что вызывает переформирование берегов, но

несравненно меньше, чем на долинных водохранилищах. Необходимо подчерк­ нуть, что «вписание» водохранилищ в береговую зону ранее существующих во­ доемов автором рассматривается лишь в отношении устойчивости форм рель­ ефа к новым условиям. Полного соответствия водохранилища древней бере­ говой зоне быть не может, даже при вписании во все морфологические эле­ менты, включая пляж, в связи с ее длительным субаэральным направленным и необратимым развитием. Во всех случаях происходит нарушение динами­ ческого равновесия природной среды береговой полосы, но величина этого на­ рушения не будет одинаковой в различных условиях.

Наибольшие переформирования берегов происходят при значительном подъеме уровня и его положении на уступах древних террас, или делювиаль- но-проллювиальных склонах (Тбилисское водохранилище). Значительные пере­

два подтипа: котловинные озерные водохранилища, вписавшиеся в очертания

частей: Ангарской и озера Байкал. Для первой части характерен русловой режим водохранилища со значительным водообменом и транзитными течения­ ми при достаточно устойчивом уровне воды, а для озера Байкал — режим свойственный крупным озерным водоемам.

Озеро Байкал по характеру гидрометеорологического режима разделяется на три части: Северную, Среднюю и Южную. Северная часть отделяется от Средней по линии островов Ольхой — мыс Валукан; граница между Средним и Южным Байкалом проходит между Бугульдейкой и Хораузом.

Осенний период на Байкале наиболее штормовой. Наиболее высокие вол­ ны (до 4 ж) образуются вдоль всего восточного берега озера. При горных ветрах со скоростью 25—30 м/сек в отдельные периоды возникают волны вы­ сотой 5—6 м. В районе Малого моря эти ветры называемые «сарма» дости­ гают ураганной силы. По мнению Е. К- Гречищева и Н. В. Мамонтова (191], для прогноза переработки берегов, берегоукрепительных и портовых соору­

дационно-абразионные берега — 208 км (64,4%).

Обвально-осыпные абразионные берега, сложенные юрскими песчаниками и конгломератами, распространены па левобережье и правобережье и имеют

16 ж3 и зависит от энергии волнения, характера склона и размываемости по­ род.

По данным В. И. Астраханцева и др. [192], озеро Байкал имеет общую длину береговой линии свыше 2000 км. Берега представлены преимущественно денудационно-абразионным типом, имеющим сплошное распространение по юго-западному побережью (устье р. Хара-Мурин, исток р. Ангары — о. Оль­ хой) и локально по северо-западному и северо-восточному побережью Байкала'

196

(рис. 80). Эти берега сложены устойчивыми осадочными, метаморфическими и

магматическими породами.

Абразионные берега наибольшее распространение получили на юго-восточ­

берега, сложенные кристаллическими породами; ///-.-низ­ кие абразионные выравненные берега, сложенные пес­ чано-глинистыми породами; I V -низкие абразионные расчлененные берега, сложенные песчано-глинистыми валунными отложениями; К—абразионно-аккумулятивные берега; VI—аккумулятивные берега, образованные вол­ новыми процессами; VII—биогенные. Прогноз перефор­ мирования берегов: /-берега практически иеразмывае-

мые; 2 -д о 50 ж; J - 5 0 -ЮОж; -/-250-400 м.

i t

\

W '

к

чивых берегов приходится лишь 10%. Широкое распространение здесь полу­ чили обвально-осршные и оползневые абразионные берега, сложенные тре­ тичными и четвертичными песчано-глинистыми отложениями.

По восточному побережью до полуострова Святой Нос распространены низкие выравненные абразионные и абразионно-аккумулятивные берега. На

ся гидродинамический режим береговой зоны и активизировалось формиро­ вание береговой полосы. По данным В. И. Астраханцева и др. (193], Л. Я- Ку­ лиш [194] и А. В. Пинегииа [195] за период 1959—1964 гг. переформирование происходило почти на всем побережье озера Байкал. Ширина размыва берегов колебалась в значительных размерах от 1—2 до 30—40 м и местами до 50— 60 м, а объем, размытых пород составил 50—85 м3 на метр длины берега.

197

Наиболее сильные размывы произошли на юго-восточном побережье Байкала на абразионных обвально-осыпных и абразионно-оползневых берегах, сло­ женных третичными и четвертичными несчано-глинистыми и галечниковыми

мячинска — 20—40 м.

На денудационно-абразионных берегах происходил подмыв надводных уступов и образование вертикальных обнажений. Бровка берега подвергалась незначительному отступанию (до 2—3 ж). На отдельных участках развитие берегов происходило по аккумулятивному пути. Так, в районе с. Посельского пирс, возведенный до подъема уровня, в дальнейшем способствовал задержке вдольберегового потока наносов и интенсивному наращиванию пляжа со ско­ ростью 10 ж в год.

В последние годы наметилась тенденция затухания процесса переработки берегов. Если в первые четыре — пять лет величина размыва обвально-осып­ ных абразионных берегов составляла в среднем 2,8 ж в год, то в последующие годы эта величина уменьшилась до 0,7—0,8 ж в год, скорость размыва сокра­ тилась в 3—3,5 раза [195].

Тбилисское водохранилище. Тбилисское водохранилище не вписалось в очертания береговой линий древних водоемов, уровень затопленных озер был поднят на значительную высоту и сопрягается с крутыми склонами различного происхождения. Поэтому берега его подвергаются значительному переформи­ рованию.

Тбилисское водохранилище создано в котловинах трех озер: Авлабарского, Кукийского и Илгунианского у северо-восточной окраины г. Тбилиси. Впа­ дина, образованная котловинами озер, вытянута с северо-запада на юговосток на 8 км и в ширину от 1 до 2 км. Берега и чаша водохранилища сло­ жены современными озерными иловатоглинистыми отложениями, делювиаль- но-проллювиалыіыми отложениями и коренными эоценовыми породами (пес­ чаниками, алевролитами и аргиллитопедобными глинами).

Питание водохранилища происходит из р. Пори. Колебания уровней до­ стигают 13 ж. В связи с наличием крутых склонов и большой сработкой водо­ хранилища эти берега подвергаются значительной переработке. Максимальная высота волн достигает 1,3 ж при скорости ветра 28—30 м/сек.

По данным Н. Г. Варазашвили [27], наибольшему переформированию под­ вергаются северные и северо-восточные берега. Ширина зоны переработки до­ стигает 50—80 ж. Вместе с тем ширина отмелей не превышает 3—4 ж. Отмели периодически размываются путем постепенного стягивания и разрушения ак­ кумулятивного материала и разрушения первичного склона.

По характеру переработки Н. Г. Варазашвили выделяет отмелые, приглубые берега средней крутизны и приглубые крутые берега.

Приглубые абразионные берега средней крутизны с уклонами 8—15° сло­ жены преимущественно суглинками. Объем обрушения достигает 2,5 ж3 на ж длины берега за год. Основной причиной разрушения является просадочность нижней толщи суглинков. Характер и темпы переформирования во мно­

иаргиллитами. Основной причиной разрушения коренных пород является на­ личие и развитие трещин различного характера, как ранее существующих, так

ивызванных изменением условий. Наибольшее отступание бровки до 18—22 м в год. Максимальная глубина размыва достигает 5 ж. Суммарный объем раз­ рушений за годы эксплуатации изменяется от 20 ж3 до 200 мъ/м.

Вдольбереговые потоки наносов имеют локальный характер в связи с перехватом наносов заливами. Перенос смытой породы происходит в основном в поперечном сечении склона. По мнению Н. Г. Варазашвили, другой причи­ ной отсутствия аккумулятивной отмели является повторение абразионных

198

циклов на разных уровнях при его сработке. Отсутствие отмели н снос раз­ мытой породы за пределы разрушаемого профиля обусловливает незначитель­ ное затухание абразионных процессов во времени.

глубине 8-10 м пачки переслаивающихся пород-тонко- и среднеслоистые песчаники и аргил­ литоподобные глины.

§ 6. Классификация берегов водохранилищ

Классификация берегов водохранилищ имеет теоретическое и прикладное значение. В зависимости от установленного типа и вида переформирования принимается расчетная схема прогноза и защитных мероприятий. В практике прогнозирования процессов переработки берегов наиболее значительные ошибки связаны с неправильным определением направленности развития бе­

рега.

Впервые разделение берегов водохранилищ па типы было произведено применительно к условиям Цимлянского водохранилища — Ю. С. Кашин, [196],

Д. П. Финаров [131] выделил типы переформирования берегов Красноярского водохранилища для целей прогнозирования.

Ф. С. Зубенко [200] выделил основные типы переформирования берегов равнинных водохранилищ. В понятие тип переформирования он включил ге­ нетический тип склонов (в том числе их морфологию и геологическое строе­ ние), вид развивающихся процессов (форма проявления основных и сопутст­ вующих процессов), характер формирующегося берега и количественные зна-

199

202

чения переработки. Тип переформирования, по его мнению, в своем наимено­ вании заключает природные условия и динамические характеристики, опреде­ ляющие его развитие.

Анализ развития берегов водохранилищ показывает, что понятия тип переформирования и генетический тип берега являются синонимами, отражаю­ щими процесс формирования берегов водохранилищ. В названии генетического типа берега водохранилища уже не следует отражать развитие и генезис склона до создания водохранилища, хотя это и предопределяет развитие бе­ рега в новых условиях.

Если же берега не претерпевают существенных изменений в условиях водохранилищ, то в этом случае в названии типа берега целесообразно от­ ражать его генезис до создания водохранилищ. Примером в этом отношении являются нейтральные берега. Такие берега целесообразнее считать нейтраль­

ведущих процессов и характер определяющего условия. При таком подходе разделение берегов водохранилищ на абразионные, аккумулятивные и ней­ тральные оказывается недостаточным. Для целей прогнозирования такое раз­ деление также не отражает многие широко распространенные типы берегов.

На основании имеющихся опубликованных материалов (С. Л. Вендров [20], А. Д. Колбутов [57], Д. П. Финаров [131, 109], Ф. С. Зубенко, [199], и др.) можно выделить семь основных гинетических групп берегов во­ дохранилищ: абразионную, абразионно-эрозионную, аккумулятивную, водногравитационную, термоабразионную, биогенную и нейтральную субаэральлую (табл. 34). В названные группы объединяются генетические типы берегов во­ дохранилищ (типы переформирования), выделение которых основывается на учете определяющего условия и ведущего процесса, получающего развитие не­ посредственно на склоне выше и ниже уреза воды и определяющим его облик (обвально-осыпные, обвально-глыбовые, обвалыю-плывупные и др.). Тип бе­ рега представляет собой комплекс генетически связанных форм рельефа над­ водной и подводной части берегового склона, развитие которых обусловлено характером и направленностью развития рельефа до создания водохранилища и проявлением ведущего процесса в новых условиях.. Такие комплексы гене­ тически связанных форм рельефа типически повторяются в определенных ус: ловиях на разных водохранилищах. Характер типа берега имеет существен­

зионные берега, сложенные песками и лессовидными суглинками, развиваются существенно отлично и имеют различный геоморфологический облик. Ведущий обвально-осыпной процесс в надводной части склона и формирование отмели происходят различно, хотя тип берега один. Следовательно, вид берега — комплекс генетически взаимосвязанных форм рельефа берегового склона, особенности в развитии которых обусловлены различиями первичного рельефа и геологического строения (литологического состава, структурных особен­ ностей и т. п.). В табл. 34 приведены наиболее распространенные типы и виды берегов водохранилищ.

Г л а в а IX.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ БЕРЕГОВ ВОДОХРАНИЛИЩ

§ 1. Существующие методы прогнозирования

Впервые вопрос о необходимости изучения и прогнозирования динамики берегов водохранилищ поставил акад. Ф. П. Саваренский [201]. Он предложил для расчета переработки берегов формулу, основанную на допущении, что

203

отмель по форме и происхождению имеет сходство с бичевниками рек. Эта формула позволяла производить расчеты в верховьях водохранилищ, гдё на­ блюдаются значительные течения. В. А. Ширямов [202] предложил метод оп­ ределения ширины конечной зоны обрушения берегов применительно к усло­ виям Куйбышевского водохранилища. Он исходил из предположения, что отме­ ли будут иметь выпуклую форму. Б. В. Поляков [203] опубликовал метод рас­ чета общей ширины отмели для конечной стадии формирования берега. Он различает размываемую и аккумулятивную части отмели, а также учитывает высоту вскатывания волн и глубину их размывающего воздействия.

В 1940 г. Е. Г. Калугин разработал метод определения ширины конечной зоны разрушения берегов на основании учета амплитуды колебаний уровня воды в водохранилище, уклона береговой отмели, высоты берега над гори­ зонтом высоких вод обеспеченностью 10—20% и угла наклона поверхности берега до затопления в пределах колебаний уровня.

В настоящее время наибольшее применение в производственной практике получили методы Н. Е. Кондратьева (ГГИ), Е. Г. Калугина (институт

конечной переработки берега, а также на определенное количество лет для берегов, сложенных песчаными, супесчаными и суглинистыми несвязными по­ родами. Для берегов со сложным геологическим строением, с фациальной сме­ ной горных пород метод Н. Е. Кондратьева применять невозможно.

Н. Е. Кондратьев принимает на основе специальных исследований, что при отсутствии продольного перемещения наносов поверхность прибрежной отмели

в районе водохранилища. Расчет сначала выполняется на конечную стадию исходя из параметров ветрового волнения и гранулометрического состава гор­ ных пород, слагающих берег.

Из расчета исключаются частицы диаметром меньше 0,05 мм, так как та­ кие частицы будут выноситься течениями за пределы береговой отмели. Из оставшегося материала выделяются 30% наиболее мелких частиц и по ним определяется уклон отмели, а по среднему диаметру 10% наиболее крупных частиц определяется уклон пляжа. Глубина на внешнем крае отмели опреде­

ляется графически по значениям высоты волны и коэффициента устойчивости частиц.

Ширина береговой отмели определяется по формуле, где учитываются уклоны отмели и пляжа, а также глубина на внешнем' крае отмели при нор­ мальном подпорном уровне. Затем но осредненной характеристике грануло­ метрического состава размываемого берега определяется отношение объема

грунта, идущего на образование аккумулятивной части отмели, ко всему объ­ ему размытого грунта.

Расчет на определенный период времени производится с учетом числа штормов. В целом выполнение расчетов по методу И. Е. Кондратьева отли­ чается большей трудоемкостью по сравнению с другими методами.

Следует отметить, что II. Е. Кондратьев принимает форму отмели вогну­ той для конечной стадии и расчетов на заданный срок. Как показал анализ материалов натурных наблюдений, отмель имеет значительные отличия в за­ висимости от режима эксплуатации. В расчетах не учитывается продольное перемещение наносов, что справедливо только для горных водохранилищ. Кроме того, Н. Е. Кондратьев при расчетах на заданные сроки учитывает штормы разной повторяемости. Это противоречит тому, что па водохранилище абразия совершается практически всеми волнами высотой больше 0,2—0,3 м.

В целом в этом методе недостаточно учитывается геологическое строение бе­ регов.

204

Метод Е. Г. Качугина [G81 основывается на предположении, что в перера­ ботке берегов участвуют волны всех размеров и общий объем разрушения берегов пропорционален энергии волн в данном месте. Интенсивность процес­ са переработки берега затухает во времени, характеризуется кривой параболи­ ческого типа и зависит от сопротивления пород размыву, а также от высоты берега. Для определения верхнего горизонта размыва к верхнему уровню воды 2—4% обеспеченности прибавляют одну треть «рабочей волны». НиЖ’ ний горизонт размыва получается путем отложения от нижнего уровня 98— 96% обеспеченности при низкой сработке в безледоставный период высоты ра­ бочей волны. Материалы натурных наблюдений показывают, что не всегда объем разрушения берегов пропорционален суммарной среднегодовой энергии ветрового волнения. Поэтому при расчетах необходимо учитывать неволно­ вые факторы, которые приводят к обрушению берегов.

Метод Г. С. Золотарева, опубликованный в 1955—1959 гг. предполагает различные способы прогноза переработки берегов, сложенных различными ком­ плексами пород и разных генетических типов склонов (обвально-осыпных, оползневых и др.). Прогноз выполняется на 10 лет после создания водохра­ нилища и на конечную стадию практической значимости. При построений.рас­

на внешнем крае отмели принимается равной 1,5 высотам волн 1%-ной обес­ печенности в песчано-суглинистых породах и двум высотам волн в лессовых породах. В методике расчета предусмотрено определение зоны наката волн. На конечную стадию глубина волнового воздействия определяется не от НПУ, а от горизонта сработки.

Весьма существенным отличием метода Г. С. Золотарева является си­ стема инженерно-геологических исследований склонов водохранилищ, позво­ ляющая получить детальную картину их строения. Кроме того, в методике глубина волнового воздействия определяется в зависимости от характера сла­ гающих отмель пород.

В методе Г. С. Золотарева имеются существенные условные допущения.

(больше 0,2 м). В расчетах не предусмотрен учет продолжительности безледоставного периода, который существенно отличен в различных климатических

зонах.

Б. А. Пышкин в 1954 г. предложил метод расчета переработки берегов для стадии динамического равновесия.

В 1963 г. Б. А. Пышкнн опубликовал работу [54], где предложен прибли­ женный и уточненный методы расчета переработки берегов водохранилищ. Приближенный метод предусматривает учет высоты волны и глубину ее воз­ действия в зависимости от состава пород отмели. В уточненном методе прог­ ноза рекомендуется учитывать вдольбереговые потоки наносов. Для доказа­ тельства выдвигаемых положений Б. А. Пышкин использует материалы по морским берегам. Предложенный метод еще не получил достаточного под­ тверждения данными натурных наблюдений.

Метод Е. К. Гречищева [204] основывается на закономерностях развития берегов морей, естественных озер и водохранилищ, на пространственном ха^- рактере размыва берегов и учете прочностных свойств пород и их изменений во времени. Метод разработан применительно к условиям озера Байкал и Братского водохранилища. Расчеты по определению возможной ширины зоны размыва берега во времени ограничиваются абразионной отмелью. Накопле­ ние наносов в пределах внешнего края абразионной отмели учитываются толь­ ко в случае, если они вызывают трансформацию волн. Снижение размываю­ щего действия волнения на породы дна по мере развития отмели учитываются по зонам (по П. К. Божичу). Расчет профиля отмели выполняется относитель­ но уровня воды наибольшей повторяемости (обычно НПУ). Показателями размываемости пород являются коэффициент размыва на внешнем крае от­

205