Регуляционные сооружения

Крепление берега
В зависимости от ожидаемой скорости течения у закрепляемого участка и других условий крепление берега можно выполнить из различных материалов.
Если берега сложены связными грунтами, то всегда надо прорабатывать вариант биологического крепления — посев трав, посадка кустарника или их сочетание. Такое крепление может хорошо работать над меженным уровнем. При опасности размыва нижнюю часть берегового откоса крепят долговечными в воде материалами: камнем, габионами, ряжами, бетоном и сборным железобетоном, а также шпунтовыми или свайными стенками из дерева.
На крупнозернистых грунтах берега (гравелисто-галечниковые отложения на горных участках рек) наиболее экономичным креплением может оказаться отсыпка галечника или валунов, добытых в русле этой же реки, но выше по течению на 20...30, а иногда и 10 км. Для этой же цели можно использовать крупнообломочный материал соседних рек, если он будет нераз- мываемым на закрепляемом участке [по формуле (10.28)].
Главные морфологические элементы русла при руслоформирующем расходе воды принимают по зависимостям, приведенным в 10.1.6, или другим региональным [6].
Наибольшую глубину в русле на устойчивом прямолинейном участке определяют по формуле:

Среднюю глубину потока на кривой определяют через среднюю глубину на прямолинейном участке:

У гладких вертикальных стенок при значительной кривизне в плане могут быть случаи.
Верх крепления откоса должен возвышаться над расчетным наивысшим уровнем воды в реке на 0,5... 1 м (с учетом ветровой или судовой волны).
Низ крепления следует заложить на 1,5...2 м ниже ожидаемой поверхности размытого дна. Уменьшить глубину заложения можно резервной отсыпкой крупного камня или укладкой фартука из габионов, сцепленных железобетонных плит и блоков, а также «покрывала» А. Н. Гостунского из металлических спиралей.

Дамбы.
Дамбы — это обычно невысокие протяженные гидротехнические сооружения с профилем земляных плотин, омываемые с обеих сторон (безнапорные дамбы) или с одной стороны (напорные). Их располагают как в русле реки (для отторжения определенной части русла), так и на пойме.
По назначению дамбы бывают выправительные и обваловывающие.
Выправительные дамбы входят в состав сооружений на трассе выправления потока. Они непосредственно взаимодействуют с потоком, потому рабочие откосы их обычно крепят такими же конструкциями, что и размываемые берега.
Наименьшими бывают размывы у берегов и дамб при закреплении выправительной трассы по ширине устойчивого русла. При увеличении ширины выправительной трассы создаются условия поперечного свала потока и подхода к защитным креплениям под различными углами. В этом случае в местах прижима к облицовке сбойного течения глубина размыва может сильно возрасти.
При выправлении многорукавных неустойчивых русл (II, III и V типы) следует иметь в виду, что на участке выправительной трассы и выше нее произойдет общий размыв, поэтому глубины возможного местного размыва следует считать не от бытовых уровней, а с учетом их последующего понижения. В этих условиях часто бывает полезным строить в русле поперечные пороги-перепады. Они фиксируют уровни в реке; кроме того, горизонтальный верх их способствует выравниванию удельных расходов по ширине русла.
По гребню дамб устраивают проезд для выполнения ремонтных и аварийных работ, потому ширину его назначают не менее 4 м.
На берегу вблизи дамб и на дамбах создают запасы аварийных материалов. Одновременно с основной рабочей выправительной дамбой строят вспомогательные дамбы (от рабочей к берегу), которые называются траверсами. Они разделяют задамбовое пространство на участки с очертанием, близким к квадратам.
На время эксплуатации в задамбовом пространстве либо должна остаться проточная вода, удовлетворяющая санитарным требованиям, либо оно должно быть закольматировано наносами, замыто земснарядами или засыпано, чтобы было пригодным для сельскохозяйственного илн рекреационного использования.
Создание выправительных дамб на всей длине русла — весьма дорогое мероприятие. Следует изыскивать возможности выправления русла только по одному берегу (с использованием противоположного как элемента трассы), строить дамбы прерывистыми. В условиях блуждающих русл со слабыми берегами хорошей конструкцией считаются опояски (рис. 10.21). Ширина потока в самой узкой части равна ширине устойчивого русла. В этом случае формируется русло с профилем и с наибольшими глубинами на оси.

Дамбы обвалования устраивают для защиты сельскохозяйственных земель, населенных пунктов и других объектов от затопления поверхностным потоком во время половодья. Различают две разновидности их: дамбы при обваловании пойменных земель и дамбы в низовьях рек, где поверхность окружающей территории находится вровень с рекой или даже ниже.

На рисунке 10.22 приведена примерная схема обвалования пойменного массива. Обвалованная часть поймы исключается из живого сечения потока, поэтому на участке обвалования уровни потока повышаются на величину (рис. 10.22,6 и в). Расчетная схема Б. Н. Кандибы сводится к тому, что уклон на участке обвалования считается равным бытовому уклону, вода, перемещавшаяся ранее на обвалованной части, течет теперь как бы сверху естественного потока над руслом и над необвалованной частью поймы. Эта схематизация приводит к уравнению:

Другой метод, позволяющий дифференцированно учесть все условия отдельных участков поймы, — построение новой кривой расходов. Ее строят, используя формулу Шези, написанную для удельного расхода воды. В пределах величин, определяемых поперечным сечением, задаются глубинами потока в русле и на пойме и вычисляют затем строят кривые. При построении их существенно различными будут коэффициенты шероховатости для периметра в русле и на отдельных участках поймы (луг, кустарник, лес и т.д.). Строят столько кривых, сколько выделено участков с разными коэффициентами шероховатости (рекомендуется принимать их по М. Ф. Срибному).

Графики позволяют построить новую кривую расходов в условиях обвалования. Для этого задаются отметками уровня воды г; по глубинам на расчетных участках поперечного сечения определяют удельные расходы воды, а по ним при известной ширине расчетных участков — суммарный расход воды в сечении.
В низовьях и дельтах рек дамбы обвалования строят издавна, так как без них была бы немыслимой хозяйственная деятельность (низовья Амударьи, Терека, Кубани, и др.)- В этих условиях уже нет речных долин в обычном понимании, дамбы обвалования не к чему присоединять. Их строят вдоль реки, то есть они не замкнуты.
Такие дамбы располагают обычно в некотором удалении от главного русла; при этом предвалъное пространство необходимо как для пропуска расходов в многоводные годы, так и для устранения угрозы внезапного размыва дамб потоком. В условиях блуждающих легкоразмываемых русл поток иногда за одно половодье смывает предвальную полосу поймы и создает угрозу размыва и прорыва дамбы. Обычно редко идут на защиту дамбы от размыва. Экономически более целесообразно допустить размыв ее. Но для того чтобы устранить угрозу затопления защищаемой территории, своевременно строят вторую линию дамб. Расстояние ее от первой линии определяется конкретными условиями: наибольшим размывом берега за одно половодье, топографией, расположением народнохозяйственных объектов и землепользованием. Оно может быть от 30...50 до 300...500 м. Одновременно с устройством второй линии дамб необходимо построить в межвальном пространстве и поперечные дамбы-траверсы (для локализации излива воды при возможном разрушении первой линии дамб).
При обваловании реки и ограничении зоны ее разлива в половодье в предвальном пространстве аккумулируется более интенсивно, поэтому через 5...10 лет гребень дамб обвалования необходимо поднимать.
В долинах рек ниже водохранилищ могут возникнуть прорывные волны, которые образуются при разрушении плотин. При этом по руслу движется передний вал с четко выраженным «лбом» волны, обладающим значительной разрушительной силой. Остальная часть долины затопляется потоком, который течет с обычными для половодья скоростями, поэтому имеется возможность с помощью дамб обвалования защитить от кратковременного, но значительного затопления населенные пункты и некоторые сельскохозяйственные угодья.

Прорези
Часто объемы и интенсивность деформаций настолько велики, что защитить от разрушения берег и объекты, расположенные на нем, перечисленными методами и средствами затруднительно. Во многих случаях целесообразнее решить задачу с помощью строительства спрямляющей прорези. Этот вид регуляционных работ получил особенно большое развитие в нижнем течении р. Амударьи. Для примера на рисунке 10.26 изображена ситуация, когда головной участок канала и сооружение на левом берегу находятся под угрозой разрушения потоком. При устройстве прорези (на рис. 10.26 показана штрихом) в нее полностью или частично устремляется поток, и берег у защищаемого объекта больше размываться не будет.

В песчаном русле (I, II и III типы) прорезь устраивают как пионерную траншею. Если соотношение длин отрезка ABC и АДС больше 1,5...2, то при разборке верховой перемычки (под защитой которой разрабатывается пионерная траншея) есть уверенность, что траншея будет в дальнейшем разработана потоком до сечения русла. При этом пропускная способность пионерного русла должна быть не менее 0,25...0,3 руслоформирующего расхода воды. Большое значение имеет также расположение входа: он должен обеспечивать благоприятный режим наносов на входе в прорезь.

В крупнозернистых грунтах (IV и V типы) пионерное русло развивается сначала интенсивно, затем формируется отмостка, препятствующая углублению, и оно размывается вширь. В таких грунтах трудно рассчитывать на эффект саморазмыва; более надежной оказывается разработка пионерного глубокого русла с пропускной способностью до 0,5 Qp с частичным или полным (в зависимости от задачи) перекрытием старого русла,

Шпоры
Шпоры — поперечные по отношению к течению потока или косонаправленные сооружения, не перекрывающие его. Они подразделяются на защитные, выправительные и водозахватные.
Защитные шпоры, обычно короткие, предназначены для защиты от размыва берега, откосов земляных сооружений (дамб и низконапорных плотин) .
Выправительные шпоры служат для удержания потока на трассе выправления. Длина их может быть различной, крепят же только головную часть, непосредственно взаимодействующую с потоком.
Водозахватные шпоры строят на реках с большой скоростью течения для привлечения к водозабору дополнительного расхода воды (обычно на горных и предгорных участках рек).
Часть шпоры, непосредственно воздействующая на поток, называется головой ее, а упирающаяся в берег (в специальную врезку)—корнем. Это наиболее уязвимые части шпоры.
Шпоры могут быть глухие и сквозные (проницаемые, например, из сквозных железобетонных тетраэдров или свай-оболочек), затопляемые и при уровне высоких вод (УВВ) и постоянно переливные. На рисунке 10.23 изображена шпора наиболее простой конструкции, возведенная для защиты берега от размыва. Набегающий на откос поток направляется вдоль рабочего откоса. В зоне сбойного течения дно размывается. У хорошо построенной шпоры яма местного размыва удалена от головы шпоры на безопасное расстояние. Часто яма размыва формируется непосредственно у головы шпоры, и грунт, из которого она построена, сползает в яму размыва.

Наибольшую глубину местного размыва определяют по зависимости (10.14).

Опыт показал, что одну шпору делать нельзя: имея два уязвимых места — голову и корень, она может быть разрушена потоком; надо устраивать не менее трех шпор подряд (лишь в особо благоприятных условиях — две). Первую шпору делают малой длины, чтобы опасность ее разрушения была минимальной; вторую строят под защитой ее корня первой шпорой и, наконец, третью и все последующие рабочие шпоры возводят так, чтобы головы их были на запроектированной трассе выправления.
Расстояние между шпорами определяют в соответствии с расчетной схемой, пример которой для течения потока параллельно берегу приведен на рисунке 10.24. При первой возможности на участке строительства шпор надо делать поплавочные съемки и вносить

Шпоры бывают разных типов, Г-образная шпора является развитием обычной. При ней перепад за счет скоростного напора рассредоточивается на длине продольной вставки (до 0,4 1Р); при этом ямы местного размыва смещаются от шпор вниз, а глубина их меньше. Кроме того, расстояние между такими шпорами больше, так как следует учитывать длину продольной вставки и угол растекания, который будет меньше 9°.

На рабочем откосе обычной шпоры формируется нисходящее течение, направленное к подошве откоса и к голове. Оно оттесняет придонные речные струи с наносами и служит причиной размыва дна у рабочего откоса и головы шпоры. Совсем противоположный эффект дает криволинейная шпора, особенно если она длинная (рис. 10.25, в). Вдоль криволинейного рабочего (верхового) откоса шпоры формируется течение с искривлением струй. Действующие на массы воды центробежные силы приводят к тому, что вблизи откоса уровень воды устанавливается ниже, чем в удалении от них. Возникает эффект поперечной циркуляции, в результате которого наносы «наметаются» на нижнюю часть рабочего откоса, то есть угрозы размыва рабочего откоса нет. Голова шпоры оказывается в области водоворота и заносится наносами.
Глухие шпоры строят чаще с осью по течению.
Интересный эффект использовал А. И. Лосиевский, предложивший затопление шпоры с осью против течения. На каждой шпоре имеется перепад уровней (по схеме затопленного водослива), который формирует течение поперек оси шпор, поэтому набегающий на шпоры поток отклоняется от берега и тем ослабляется его размывающее воздействие. Кроме того, на низовом откосе шпоры формируется компенсационное движение придонных струй с наносами к берегу, и это также служит защитным средством. Наиболее уязвимое место у этой конструкции — голова шпоры.
Часто строят сквозные шпоры, например из железобетонных тетраэдров, сеток и т. д. Следует учитывать, что обилие в реках мусора (растительные остатки) изменит расчетную сквоз- ность, отчего конструкции могут потерять устойчивость или оползут в яму размыва непредвиденной глубины.