Устойчивость дна и берегов водоема на участках перехода

Надежная работа подводных переходов в течение расчетного срока их эксплуатации обеспечивается выбором обоснованного решения о заглублении трубопровода в русловой части реки и на береговых ее участках, а также соответствующих конст­руктивных решений. В настоящее время для оценки возмож­ных деформаций русла и берегов рек в створах трубопроводов применяют гидролого-морфологическую теорию руслового процесса. Как показал опыт эксплуатации переходов, исполь­зование основных идей этой теории при строительстве перехо­дов через равнинные реки с незарегулированным водным ре­жимом дает весьма хорошие результаты. Характер деформа­ций горных рек, а также рек в районах Крайнего Севера еще находится в стадии исследований. Результаты обследований большого числа (несколько сотен) нефте- и газопроводов по­казывают, что все многообразие размывов трубопроводов, встречающихся на практике, можно отнести к следующим ти­пам: размывы (рис. 13.1) в средней части русла (участок с) и размывы приурезных и береговых участков а\ и 4%. На разных участках рек эти размывы происходят по различным причи­нам. И для того чтобы понять их, необходимо хотя бы вкратце рассмотреть основные типы русловых процессов, приводящих в период эксплуатации к размывам труб и созданию аварий­ных ситуаций. В

гидрологии (науке о естественных русловых процессах) различаются следующие типы русловых процессов: ленточно-грядовой, осередковый (русловая многорукавность), побочневый, ограниченное меандрирование, свободное меандрирование, незавершенное меандрирование, пойменная многору­кавность.

Ленточно-грядовой тип руслового процесса представляет пе­реформирование русла, выражающееся в сползании по нему крупных одиночных (занимающих всю ширину русла) песча­ных гряд (рис. 13.2), получивших название ленточных, длина которых (шаг) К_Г обычно составляет 6—8 ширины русла; вы­сота 1,5—2, реже более 3 м; скорость сползания — от несколь­ких метров до 200—300 м в год. Плановые деформации бро­вок берегов русла при этом не характерны. Подобные гряды обладают довольно устойчивым шагом (коэффициент вариации относительно шага гряд K,/b = Q,37; b — ширина русла) и могут занимать участки большой протяженности — десятки километ­ров. Сползая по руслу, гряды вызывают местное повышение дна (при прохождении гребня гряды), сменяющееся последу­ющим его понижением (надвижение подвалья следующей гряды). Количественно русловой процесс ленточно-грядового типа выражается следующими измерителями; шагом гряды а.г (расстояние между гребнями смежных гряд по средней ли­нии русла), высотой гряды А (возвышение гряды над подош­вой подвалья, измеренное по профилю, в котором это превы­шение имеет наибольшее значение), скоростью перемещения гряды v_r (м/год). Шаг и высота определяются по данным фактических замеров. При оценке деформаций русла важно уста­новить размеры и хронологический порядок изменений высот­ных отметок русла.

Осередковый тип руслового процесса (русловая многорукавность) возникает на реках, перегруженных донными нано­сами, и определяется по обилию крупных гряд, сползающих по руслу и образующих осередки и острова, легко обнаруживае­мые на планах и аэрофотоснимках. Границы русла в плане не имеют закономерной искривленности, и в целом река не

меандрирует (рис. 13.3). Поперечное сечение русла распластано. Пойма островная, со следами множества протоков. Основные деформации русла выражаются в образовании и сползании вниз по течению крупных ленточных гряд, расползающихся на отдельные отмели, обсыхающие при спаде уровня воды в виде осередков. Мпогорукавность русла характеризуется средней Л_СР и максимальной Д_тах высотой гряд. Динамической харак­теристикой процесса является скорость смещения осередков v_Q. Величина Л устанавливается на основании детальных рус­ловых съемок. В малоустойчивых руслах вместо таких съемок применяется периодически повторяемый промер одного и того же створа. Скорость смещения осередков определяется со­поставлением разновременных съемок.

Побочневый тип руслового процесса, в отличие от ленточно-грядового, образуется в русле реки с единой цепью гряд, отли­чающихся перекосом плановой линии гребней (рис. 13.4). Эту систему гряд можно представить как две параллельные цепи гряд, смещенные своими наиболее возвышенными частями к противоположным берегам и сдвинутые одна относительно другой на половину их шага. В межень наиболее повышенные и выступающие вперед (вниз по течению) части гряд обсы­хают, образуя песчаные отмели побочни, примыкающие к бере­гам в шахматном порядке. В результате этого меженный поток приобретает извилистые очертания; пониженные • части гряд в межень образуют перекат. Плановые деформации русла для побочневого типа не характерны. В наиболее четкой форме побочневый тип руслового процесса проявляется при естествен­ном и искусственном закреплении берегов относительно прямо­линейного русла. Деформация русла сводится к сползанию вниз по

течению реки крупных гряд (побочней), происходя­щему в половодье, размыву в межень гребней гряд (перекатов) и их восстановлению в последующее половодье. Количественно побочневый процесс определяется следующими измерителями: шагом побочней Х„ (расстояние по прямой между смежными точками перегибов средней линии меженного русла), шириной русла в половодье В (расстояние между бровками коренных берегов), шириной русла в межень Ь, скоростью перемещения побочня у_п. Совмещенные поперечные профили русла характе­ризуют форму дна на участке в границах одного побочня. Зна­чения K,i, В, b и данные об отметках дна определяются на ос­нове натурных съемок, проводимых в половодье и межень. Для больших рек могут быть использованы данные аэрофотосъе­мок. Скорость сползания побочней v_n определяется путем со­поставления разновременных съемок по положению точек пе­регибов средней линии меженного русла.

Ограниченное меандрирование является дальнейшим разви­тием руслового процесса побочневого типа и выражается в сползании слабо выраженных из­лучин (углы разворота до 60°) при сохранении ими своих размеров и форм (рис. 13.5). Количественно ограниченное меандрирование опре­деляется следующими измерителя­ми, получаемыми по крупномас­штабным картам, материалам аэро­фотосъемки, а также на основе спе­циальных съемок: шагом излучины А™ (расстояние по прямой между двумя смежными точками перегиба средней линии меженного русла); углом разворота излучины а, обра­зованным двумя касательными, про­веденными через те же точки пере­гиба, ограничивающие излучину; шириной меженного русла b; шири­ной пояса меандрирования В (ширина русла плюс наиболь­шая ширина пойменного массива); скоростью сползания излу­чины у_и (отношение длины пути, пройденного точкой перегиба русла, к периоду времени, за который этот путь пройден). Ско­рость сползания излучин определяется по результатам разно­временных съемок.

При свободном меандрировании в отличие от излучин, об­разующихся при ограниченном меандрировании, при котором наблюдается их сползание без закономерного изменения раз­меров и плановых очертаний, излучины проходят определенные циклы развития (рис. 13.6). В начальной стадии развития из­лучины (при а<90°) сползают вниз по течению по схеме ог­раниченного меандрирования, но в отличие от него одновре­менно и постепенно увеличивают угол разворота. По мере уве­личения угла разворота сползание излучины замедляется, но ускоряется ее разворот. Развитие излучин завершается сбли­жением подмываемых берегов смежных излучин и прорывом образовавшегося между ними перешейка. Основные признаки свободного меандрирования — однорукавное русло в широкой пойме со староречьями, с грядовым рельефом поверхности, представленной сериями дугообразно изогнутых гряд и ложбин между ними (вееров перемещения русла); наличие излучин, находящихся в разных стадиях развития, и скопление наносов у выпуклых берегов, имеющих вид пляжей. У вогнутого бе­рега одна — три (редко более трех) плесовые лощины. Пере­каты, расположенные у точек перегиба русла, протягиваются между оконечностями пляжей, что нередко приводит к обра­зованию у пляжей низовой косы затона. Из количественных характеристик, получаемых по крупномасштабным картам и аэрофотоснимкам или по материалам специальных изысканий, используются следующие: шаг излучины Я_и — расстояние по прямой между двумя смежными точками перегиба средней (осевой) линии русла; угол входа в излучину аь образованный вектором, направленным по касательной в верховой точке пере­гиба к средней линии русла в сторону течения, и линией шага излучины; угол выхода из излучины иг — аналогичный угол, построенный в низовой точке перегиба к средней линии русла. Угол разворота излучины a = ai+«2. План излучины в горизон­талях или изобатах имеет отметки наинизших точек плеса и точек верхового и низового перекатов. Скорости развития из­лучин устанавливаются на основании совмещения карт разных лет съемки или сопоставления в натуре прежних съемок с сов­ременным положением излучины. Главное в оценке русловых деформаций при свободном меандрировании — установление тенденций планового развития излучин и связанного с этим из­менения их глубин.

Под незавершенным меандрированием понимают русловой процесс, при котором не образуются характерные для свобод­ного меандрирования излучины. В начальной стадии (при ма­лых а) излучины развиваются по схеме свободного меандри­рования, а в последующем возникает спрямляющий проток, постепенно развивающийся и превращающийся в главное русло (рис. 13.7). Более ранний прорыв меандры проявляется при легкоразмываемых грунтах поймы или в других условиях пой­менного участка (при наличии оврагов, повышенной затопля­емости и т. п.), способствующих прорыву. Деформации глав­ного русла по мере развития спрямляющего протока ослабе­вают, а затем прекращаются. Развивающийся спрямляющий проток вначале деформируется (часто по схеме ленточно-грядового или побочневого типа), а в последующем начинает меандрировать, и цикл развития незавершенного меандрирова­ния повторяется. Тип руслового процесса легко опознается по наличию спрямляющих протоков, находящихся в разных ста­диях развития. Хорошо выраженные петли русла на участках свободного меандрирования отсутствуют.

Пойменная многорукавность представляет собой дальней­шее развитие и усложнение незавершенного меандрирования (рис. 13.8). Деформация русла реки, взятой в целом, сводится к медленному развитию спрямляющих протоков и отмиранию спрямляющих излучин, особенно на общих поворотах реки. Русловой процесс внутри каждого спрямляющего протока про­текает так же, как в самостоятельном русле соответствующего типа. Признак пойменной многорукавности — наличие широкой поймы, в которой река протекает многими рукавами. Острова, образованные протоками на участках пойм, обладают большой плановой устойчивостью. Отдельные рукава (спрямления ряда излучин) имеют значительную протяженность и могут рассмат­риваться как самостоятельные реки того или

иного типа. Коли­чественные характеристики процесса остаются теми же, что и для описанных типов процесса.

Рассмотрим далее, каким образом связаны размывы русла в створе подводного трубопровода с типом руслового процесса. Размывы в средней части русла реки характерны для ленточно-грядового и осередкового типов руслового процесса. При лен-точно-грядовом типе, если трубопровод уложен на участке гре­бня гряды, размывы возможны почти по всей ширине реки вследствие перемещения в створ перехода подвалья гряды. При осередковом типе руслового процесса размывы трубопроводов могут происходить на участках перемещения плесов и осеред-ков. Если трубопровод расположен в створе А (см. рис. 13.3, а), то размыв возможен на участке осередка в сред­ней части русла (см. рис. 13.3, б), если трубопровод располо­жен в створе В, то размыв возможен по всей ширине русла (см. рис. 13.3, г). Максимально возможные размеры трубо­провода в русловой части определяются совмещением попе­речных профилей створов на участке протяженностью не менее двух крупных русловых форм (гряд, осередков, плесов), т. е. на участке длиной 10—15 ширин русла реки. Огибающая всех профилей створов будет соответствовать предельной границе размыва трубопровода. При сооружении трубопровод необхо­димо располагать ниже предельной границы размыва дна реки. Размывы приурезных участков подводных трубопроводов про­исходят в основном при осередковом и побочневом типах рус­лового процесса. На участках рек осередкового типа размывы возникают при перемещениях осередков, островов и плесов, расположенных у берегов реки. Возможные размывы приурез­ных участков, вызванных перемещением осередков, показаны на рис. 13.3, в.

Особенностью деформаций дна реки на приурезных участ­ках трубопроводов при побочневом типе руслового процесса (см. рис. 13.4) является последовательное чередование пони­жений и повышений отметок дна то у одного, то у другого бе­рега по мере прохождения побочней через створ перехода. По­этому нельзя считать правильными имевшие место случаи про­ектирования вновь сооружаемого перехода, когда учитывалась возможность размыва только одного из берегов реки. При пе­ремещении всего побочня размыв трубопровода произойдет на участке, где уменьшена глубина заложения трубопровода, что потребует выполнения дорогостоящего капитального ремонта. Правильным решением в данном случае является заглубление трубопровода ниже предельной границы размыва. Размывы береговых участков происходят наиболее часто при ограни­ченном и свободном меандрировании руслового процесса. При ограниченном меандрировании размыв берега обусловливается сползанием излучин без изменения их форм и размеров. Пре­дельные границы размыва берегов для участков рек ограни­ченного меандрирования определяются шириной пояса меандрирования В. Зная скорость сползания излучин, можно опре­делить максимальный размыв берега за период эксплуатации трубопровода путем совмещения по средней линии пояса ме­андрирования поперечных профилей створов, расположенных выше створа перехода. Если скорость сползания излучины не­известна, то максимальный размыв берега за период эксплуа­тации трубопровода определяется совмещением профилей, расположенных на участке длиной, приблизительно равной по­ловине шага К и излучины. Наибольшие размывы берегов на­блюдаются на участках рек свободного меандрирования. Сво­бодно меандрирующий русловой процесс характеризуется ин­тенсивными плановыми переформированиями реки и создает наибольшую опасность размыва береговых участков трубопро­вода. Реки свободного типа меандрирования имеют среднюю скорость размыва вогнутых берегов до нескольких десятков метров в год. Учитывая, что подводные трубопроводы могут эксплуатироваться десятки лет, за весь период работы пере­хода размывы берегов могут составить сотни метдов. Эти дан­ные говорят о необходимости точного учета при проектирова­нии подводных трубопроводов максимально возможных пла­новых переформирований русла. Если при пересечении участков рек свободного типа меандрирования руслового процесса не представляется возможным назначить оптимальные створы пе­реходов, то для избежания размывов трубопроводов необхо­димо выполнить два основных мероприятия: врезать трубопро­вод в размываемый берег с учетом максимально возможных плановых деформаций русла за весь период эксплуатации пе­рехода, назначить глубину заложения трубопровода на размы­ваемом береговом участке ниже отметок максимальных глу­бин плеса, примыкающего к створу перехода.