УДК 627.5
Методические рекомендации по охране земель
берегозащитными сооружениями, адаптированными
к морфологии рек
Кабардино-Балкарская ГСА, г. Нальчик, Россия
При строительстве берегоукрепительных сооружений перед проектировщиками стоит сложная задача правильного выбора варианта берегоукрепительного сооружения. В настоящее время проектировщики при выборе варианта технического решения руководствуются либо собственным опытом, либо общими рекомендациями, что не всегда приводит к оптимальному решению проблемы. Так, например, после популяризации габионных конструкций их начали строить везде, несмотря на то что в некоторых случаях они совершенно неприменимы. Например, их нельзя строить на участках с большими нагрузками, вызванными продолжительным паводковым периодом или большим содержанием наносов.
Анализ натурных обследований действующих берегозащитных сооружений показал, что выбор наилучшего варианта зависит от морфологических элементов потока и русла. При выборе варианта берегозащитного сооружения в настоящее время кроме надежности необходимо также учитывать экономические и экологические показатели. Таким образом, необходима теория, основанная на научном подходе при принятии решений по выбору оптимального варианта берегозащитного сооружения.
С появлением новых более прогрессивных строительных материалов, с развитием информационных технологий, с последними достижениями в области математической теории планирования эксперимента появилась возможность по-новому подходить к решению многих вопросов, связанных с проектированием и строительством берегозащитных сооружений.
Целью этой работы является создание теории, позволяющей любому проектировщи-ку легко выбирать оптимальный вариант берегоукрепительного сооружения, адаптиро-ванный к местным морфологическим условиям.
Известно, что русловой процесс - это взаимодействие потока с руслом, поэтому его устойчивость определяют морфологические элементы потока и русла. Основными морфологическими элементами потока, которые необходимо учитывать, являются: скорость потока; глубина; мутность воды; продолжительность паводкового периода. Основными морфологическими элементами русла, которые учитываются при выборе варианта, являются: фракционный состав русла; уклон русла; относительное заполнение поймы; форма русла реки в плане.
Известно, что в русловой гидротехнике важным показателем является число Фруда (Fr), которое определяется по формуле [1]
, (1)
где v - средняя скорость; H - глубина при максимальном расходе воды; g- ускорение силы тяжести, g = 9,81 м/с2; a - коэффициент неравномерности распределения скоростей, a=1,1.
Этот показатель объединяет два морфологических элемента - скорость v и глубину H.
Другим важным показателем, которым оценивают устойчивость русла, является коэффициент устойчивости русла, предложенный [1]. Этот показатель зависит от отношения сопротивления частиц наносов к влекущей силе потока. Сопротивление приближенно принимается пропорциональным весу частицы, то есть величине d3 (d - средний диаметр частиц), а влекущая сила – величине гидродинамического давления на частицу, то есть произведению v2 d2. Так как v2 при прочих равных условиях пропорционально уклону I, то давление на частицу пропорционально d2 I, поэтому отношение будет иметь вид
. (2)
При этом коэффициент устойчивости 
определяется при 
в мм и 
в м на 1км.
Чем крупнее частицы донных наносов или чем меньше падение реки, тем менее подвижно русло. В реках с коэффициентом устойчивости 10…15 нет постоянного влечения наносов по дну; движение донных наносов отличается периодичностью; они перемещаются в основном только в период половодья, в межень движения наносов почти нет. В реках с коэффициентом устойчивости менее 5 развивается постоянное влечение донных наносов на всем протяжении, однако в межень оно значительно ослабевает.
Проанализировав каждый фактор, можно прийти к выводу, что седьмым фактором (относительным заполнением русла в паводковый период) и последним фактором (формой русла реки в плане) можно пренебречь, и тогда останутся четыре фактора: коэффициент кинетичности, (Х1); коэффициент устойчивости, 
(Х2); мутность воды, Х3; продолжительность паводкового периода, Х4.
Экспериментальные исследования проводятся с применением математической теории планирования эксперимента. В качестве базового плана эксперимента был выбран план Бокса (В4) [3].
На основании предварительного анализа были определены интервалы варьирования основных факторов, приведенных в табл. 1.
В таблице 1 приведены кодированные значения факторов для условий проведения опытов с четырьмя факторами.
Таблица 1
Уровни варьирования основных факторов
Фактор | Уровни факторов | ||
-1 | 0 | +1 | |
Коэффициент кинетичности, Х1. | 0,2 | 0,6 | 1,0 |
Коэффициент устойчивости, Х2. | 1 | 8 | 15 |
Мутность воды, Х2 , кг/м3 | 0,1 | 2,5 | 5,0 |
Продолжительность паводкового периода, Х4, мес. | 1 | 6,5 | 12 |
В настоящее время авторами разработаны модели 20 вариантов берегозащитных сооружений, из них в качестве примера приводятся четыре варианта откосных креплений и два варианта подпорных стенок.
В качестве параметра оптимизации примем интегральную оценку, зависящую от специфических особенностей конструкции и морфологических элементов потока и русла.
Оценка работы каждого отдельного варианта берегоукрепительного сооружения производится по основным требованиям и десятибалльной системе. К основным требованиям, предъявляемым к берегоукрепительным сооружениям, относятся надежность работы, экономичность, экологичность.
Общая относительная экономическая и экологическая оценка различных вариантов гибких откосных креплений не зависит от морфологических элементов потока и реки, а определяется материалами и конструктивными особенностями технических решений. Для объективной оценки различных вариантов сделаны проекты берегоукрепления длиной 100 м и высотой 3 м. Самыми дорогими креплениями считаются подпорные габионные стенки.
При оценивании берегоукрепительного сооружения по экологичности оценка производится в результате сравнения количества применяемых техногенных материалов при строительстве различных вариантов. Этот показатель также берется из смет, так как в них легко определить объем техногенного материала.
Оценка каждого варианта производится по интегральному принципу. Наивысшая оценка надежности, экономичности, экологичности - 10 баллов. Таким образом, максимально возможная интегральная оценка составляет 30 баллов.
Общая относительная экономическая и экологическая оценка различных вариантов гибких откосных креплений верховых откосов дамб приведена в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Экономическое сравнение различных вариантов берегозащитных сооружений
Наименование конструкции и крепления | Сметная стоимость 100 п. м БЗС (в ценах 1991 г.) | Стоимость 100 п. м. крепления (в ценах 1991 г.) | Относительная оценка по стоимости (в баллах) |
Каменная наброска | 10406 | 4890 | 10 |
Габионное крепление из параболических цилиндров | 19073 | 13539 | 5,1 |
Армобутобетонное крепление | 19970 | 15299 | 4,1 |
Тюфячное крепление из бетонных плит | 24781 | 20069 | 1,4 |
Габионная подпорная стенка из сетки с двойным кручением | 24831 | 21153 | 0,8 |
Габионная подпорная стенка с бетонной облицовкой | 25863 | 22185 | 0,2 |
Интегральная оценка Пи каждого вида откосного крепления зависит от показателя надежности крепления Пн, который для каждого вида откосного крепления определяется по результатам натурных наблюдений в зависимости от основных морфологических элементов потока и русла. Для этого на участках действующих берегозащитных сооружений для конкретных морфологических условий определяется срок службы различных вариантов креплений [4]. Зная максимальный срок службы берегоукрепительного сооружения, а он принимается равным 40 лет, устанавливается относительная оценка в баллах. Обследования проводились на реках Кабардино-Балкарской республики. Для новых сооружений дается прогнозируемая величина срока службы в зависимости от величины морфологических элементов и работы аналогичных сооружений. Определение показателя надежности производится в табличной форме.
Таблица 3
Экологическое сравнение различных вариантов берегозащитных сооружений
Наименование конструкции и крепления | Вес техногенного материала на 100 п. м, (тонн) | Относительная оценка по экологичности (в баллах) |
Каменная наброска | - | 10 |
Габионное крепление из параболических цилиндров | 16,3 | 9,7 |
Армобутобетонное крепление | 293,7 | 4,4 |
Тюфячное крепление из бетонных плит | 299,5 | 4,3 |
Габионная подпорная стенка из сетки с двойным кручением | 19,8 | 9,6 |
Габионная подпорная стенка с бетон ной облицовкой | 23,5 | 9,5 |
Интегральный показатель будет определяться по формуле
, (3)
где 
- понижающий коэффициент, зависящий от надежности принятого варианта крепления, 
.
Расчеты по определению интегрального показателя производятся в табличной форме для каждого варианта.
Коэффициенты уравнения регрессии определяются методом наименьших квадратов в матричной форме [2].
Исходная система уравнений в матричной форме имеет вид
Y =X B. (4)
Значения коэффициентов уравнения регрессии в матричной форме определялись по формуле
(5)
Оценка адекватности полученных регрессионных уравнений проводилась по критерию Фишера. Модель адекватна, если расчетное (опытное) значение критерия Фишера Fрасч не превышает его табличного значения Fтеор для выбранного уровня значимости a числа степеней свободы [2].
Дамба с креплением верхового откоса из каменной наброски является самым экономичным и экологичным техническим решением но, к сожалению, имеет ограниченный диапазон применения. Крепление откосов каменной наброской осуществлялось на некоторых участках рек Нальчика, Черека с различными величинами морфологических элементов потока и русла, при этом размеры камня зависят от параметра кинетичности потока и устойчивости русла. Крепить откосы каменной наброской можно при параметре кинетичности потока Fr = 0,2¸0,3 и f = 10 и более, а также на реках с краткосрочными паводками. После обработки данных, полученных по результатам натурных обследований различных участков креплений каменной наброской, определена долговечность крепления в зависимости от величины морфологических элементов. По долговечности установлена надежность крепления в баллах, а по ней дана интегральная оценка каждому опыту в табличной форме. Таким образом, определен параметр оптимизации для каждого опыта, а по нему построена математическая модель, в основу которой положены уравнения регрессии. После исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии, соответственно, имеет вид
(6)
Дамба с креплением верхового откоса габионами из параболических цилиндров разработана в КБГСХА и запатентована в России [5]. В настоящее время габионами из параболических цилиндров укреплены дамбы на р. Черек в районе с. Псынабо и ст. Черек общей длиной более 1 км. Опыт работы этих и других габионных откосных креплений показал, что сетка подвергается истиранию от насыщенного наносами потока, и при больших нагрузках на крепление срок ее службы может не превышать 10 лет. Срок службы откосных габионных креплений может достигать 30…35 лет. На построенных нами и на аналогичных других габионных креплениях определен срок службы креплений на участках с различными морфологическими условиями. После обработки экспериментальных данных и исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии, соответственно, имеет вид
(7)
Дамба с армобутобетонным креплением верхового откоса разработана в КБГСХА и запатентована в России [7]. Надежность и долговечность таких и аналогичных конструкций выше, чем у габионных откосных креплений. Такие конструкции могут выдерживать большие нагрузки и использоваться на реках с продолжительными паводками и большим содержанием наносов. Камень, уложенный поверху бетона, является износостойким материалом. Относительным недостатком таких креплений является дороговизна и меньшая экологичность, что и учитывается в интегральной оценке. После обработки полученных в результате обследования экспериментальных данных и исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии имеет вид
(8)
Дамба с тюфячным креплением верхового откоса из бетонных плит - это довольно распространенный вид креплений, давно применяемый на реках КБР и всей России. При хорошей защите против суффозии такие крепления могут служить до 40 лет. Подобное крепление можно рекомендовать на участках рек с большой нагрузкой и для потоков с большим содержанием наносов. Недостатком таких креплений является относительно высокая стоимость и низкая экологичность, так как материалом, из которого сделано крепление, является бетон. После обработки экспериментальных данных и исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии, соответственно, имеет вид
(9)
Габионная подпорная стенка из сетки с двойным кручением - этот вид берегозащитных сооружений в КБР получил большое распространение в последние годы. Такие сооружения построены на реках Баксан, Малка протяженностью десятки километров. Они имеют довольно привлекательный эстетичный внешний вид и обладают многими достоинствами. К недостатку таких сооружений можно отнести относительную дороговизну и то, что сетка подвергается истиранию от потока насыщенного наносами. Срок службы габионных подпорных стенок может достигать 30…35 лет. На построенных габионных подпорных стенках с сеткой двойного кручения определен срок службы креплений на участках с различными морфологическими условиями. После обработки экспериментальных данных и исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии, соответственно, имеет вид
(10)
Габионная подпорная стенка с бетонной облицовкой - это новая разработанная в КБГСХА конструкция берегозащитного сооружения, в которой сделана попытка, устранить те недостатки, которые имеют габионные подпорные стенки. Конструктивное решение таких стенок позволяет делать их высокими и относительно тонкими и, следовательно, более экономичными, так как они могут работать и на изгибающие нагрузки. Облицовка бетоном защищает стенку от истирания наносами, что увеличивает срок службы подпорной стенки. После обработки экспериментальных данных и исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии, соответственно, имеет вид:
(11)
Данная модель позволяет выбирать оптимальный вариант берегозащитного сооружения в зависимости от величины морфологических элементов потока и русла и предназначена для проектировщиков. Проектировщик, не имеющий большого практического опыта проектирования берегозащитных сооружений, может подобрать оптимальный вариант применительно к местным условиям. В неё можно включить любое количество вариантов берегозащитных сооружений и в зависимости от интегральной оценки выбрать оптимальный.
Разработанная модель в настоящее время реализована 20 сооружениях, с её использованием построены берегозащитные сооружения на р. Черек, защищающие с. Старый Черек и с. Псынабо.
Пример. Подобрать оптимальный вариант берегозащитного сооружения для двух участков рек со следующими морфологическими элементами:
1). Скорость потока v = 1,9 м/с; глубина, h = 1,7 м; размер фракций русла, d50=70 мм; уклон в метрах на 1 км, I = 5 м; мутность потока, r = 0,1 кг/м3; продолжительность паводкового периода, n = 1 мес.
2). Cкорость потока v= 4,0 м/с; глубина, h = 1,8 м; размер фракций русла, d50=50мм; уклон в метрах на 1 км, I = 15 м; мутность потока, r = 0,1 кг/м3; продолжительность паводкового периода, n = 12 мес.
Решение. Подсчитаем интегральные показатели по формулам (6)…(11) в Excel для каждого варианта и выберем максимальное значение.
Наименование конструкции и крепления | Интегральный показатель Пи | |
№1 | №2 | |
Каменная наброска | 25,7 | 0,1 |
Габионное крепление из параболических цилиндров | 16,1 | 2,2 |
Армобутобетонное крепление | 18,0 | 11,3 |
Тюфячное крепление из бетонных плит | 15,1 | 6,8 |
Габионная подпорная стенка из сетки с двойным кручением | 14,6 | 7,6 |
Габионная подпорная стенка с бетонной облицовкой | 15,1 | 10,8 |
Ответ. Для первого участка реки наилучшим вариантом является каменная наброска с Пи = 25,7. Для второго участка наилучшими вариантами в зависимости от условий местности являются армобутобетонное крепление с Пи = 11,3 и габионная подпорная стенка с бетонной облицовкой с Пи = 10,8.
Библиографический список
1. Алтунин русел. М.: Сельхозиздат, 19с.
2. , , Грановский эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-е изд., перераб. М.: Наука, 19с.
3. и др. Таблицы планов эксперимента для факторных полиномиальных моделей (справочное издание). М.: Металлургия, 19с.
4. О надежности крупных каналов. М.: Колос, 19с.
5. Ламердонов ячеистые крепления откосов //Мелиорация и водное хозяйство 2002. №4. С.19-21.
6. Патент Российской Федерации № 2 МКИ Е 02 D 17/20, Е 02 В 3/12 Комбинированное крепление откосов/ ; Заяв. 08.11.2000; опубл. 20.09.2002г.
7. Патент Российской Федерации № 000 МКИ Е 02 D 17/20, Е 02 В 3/12 Армобутобетонное крепление / , ; Заяв. 16.10.2000; опубл. 20.03.2003.
