автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Прогноз динамики размыва ограждающих дамб при нагонных подъемах уровня воды

вдсгаениое объединение по изысканиям, исследованием, , проектированию и строительству водохозяйственных и мелиоративных объектов "СОВИНТЕРВОД"

На правах рукописи

МАШКОВИЧ Константин Игоревич

ПРОГНОЗ ДИНАМИКИ РАЗМЫВА ОГРАЖДАЮЩИХ ДАМБ ПРИ НАГОННЫХ ПОДЪЕМАХ УРОВНЯ ВОДЫ (НА ПРИМЕРЕ СЕВЕРО-ВОСТОЧНОГО ПОБЕРЕЖЬЯ КАСПИЙСКОГО МОРЯ)

Специальность 05.23.07. - Гидротехническое и

мелиоративное строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -1993

. Работа вытплняиа в Произв'-дственн'-м объединении по изысканиям, исследованиям, проектировамио и строительству коаохозяйстпенных и мелиоративных объектов "СОВИНТЕРВОД".

Научный руководитель - * доктор технических ичуч, старший

научный сотрудник Т-А.Алиев

Официальные эппонснты - доктор технических »пук, профессор

Б.А.ЖивотовскиЙ

кандидат технических наук А.И.Светилов

Водут)ая организация - Всероссийский научно-исследовательский

институт по строительству трубопроводе»

Защита состоится ".{/." 1993 г. в //часов

на заседании специализированного совета Д 099.06.01 в Производственном объединении "С0ВИНТЕР80Д" по адресу: 129344 г.Москва,Енисейская,2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПО "СОВИНТЕРВОД".

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв по адресу: Т29344 г.Москва, ул.Енисейская, 2, ПО "СОВИНТЕРВОД", Ученый Совет. >

Автореферат разослан " ЛЯ* .. ... 1993 г.

Ученый секретарь _____

специализированного^^

совета, к.т.н. В.С.Заднепрянец

ОБЦАЯ ХАРАНТЕРИСГЛКД. РАБОТУ

Актуальность работы. Вопросы научного обоснования проектов инженерной защиты территорий приобретает особенно больтгае значение в последнее время в связи с обострением экологических проблем в ряде крупных регионов: к ним относятся обмеление Аральского моря и формирование его новой акватории с помощьч дамб, радиоактивное заражение местности после Черюбыльской катастрофы и необходимость проведения работ по обвалованич русла реки Припять, создание системы защитных сзоружений для предотвращения последствий крупных наводнений в бассейне реки Амур и др. Наибольчзуо актуальность вопросы защиты больших территорий от вредного воздействия вод приобретают в связи с катастрофически быстрым повышением уровня Каспийского моря: при подъеме уровня от современной отметки -27,0 м до -25,0 м в зону затопления в Дагестане, Калмыкии и Астраханской области попадает территории общей площацьо 1654 тыс.га, 53 города и поселка с населением 58,5 тысяч человек, 480 тыс.га сельскохозяйственных угодий, 385 км автомобильных дорог и т.д.

Большую опасность для всего Каспийского региона представляет угроза 'затопления нефтепромыслов, находящихся на северо-восточном побережьи моря. Временные локальные дамбы, возведенные вокруг некоторых месторождений, не в состоянии решить двойную задачу - обеспечить надежную защиту нефтепромыслов от затопления морскими водами и оградить море от загрязнения нефтепродуктами: крупные нагоны весной 1989 и 1990 года вызвали затопление поселков, нефтепромыслов, размыли насыпи автомобильных дорог, причинив ущерб в сотни миллионов рублей. Радикальный способ защиты нефтепромыслов от нагонов - строительство ограждающей дамбы вдоль всего побережья протяженностью в

десятки километров - требует реиения целого ряда научных проблем, в том числе составления прогноза уро венного реткима поря на длительный период, расчета максимальных величин нагонного подъема уровня, разработки конструкции дамбы, обеспечивающей надежность и долговечность ее работы, определения объемов размыва дамбы при воздействии на нее волн и течений, расчета параметров прорана и площади затопления территории в случае разрушения дамбы. Эти вопросы недостаточно полно освещены в нормативных документах, пособиях и рекомендация Цель работы состояла в разработке ряда проблем» возникающих пр проектировании и эксплуатации защитных дамб значительной протяженно' сти, в том числе в создании банка многолетних данных наблюдений гид рометеорологических параметров на Северном Каспии для персональной ЭВМ и прогнозе на этой основе величины нагонного подъема уровня моря заданной обеспеченности, в определении объемов ветровояновой переработки дамбы в период нагонных подъемов уровня, в получении натурных данных по размыву откосов дамб для идентификации расчетов, в разработке метода расчета периметров прорана в теле дамбы и определении границ зоны затопления территории, в создании программного обеспечения гидротехнических расчетов, связанных с проектированием дамб.

Научная новизна работы заключается

- в создании метода прогноза высоты нагонного .подъема уровн* Нас пийского мо^я при недостаточности данных гидрологических наблюдений на северо-восточном побережьи на основе установленной зависимости высоты нагона от энергетической характеристики шторма;

- в определении эффективных нагоноопасных направлений для устья Урала и района Тенгиз-Прорва на северо-восточной побережья моря с помощью методов безусловной оптимизации;

- в учете высоты нагонного подъема уровня и его фоновых изменения при расчетах параметров ветровых волн на Северном Каспии;

- в усовершенствовании метода расчета объемов ветроволновой переработки откосов защитных дамб в условиях нагонного подъема и спада уровня воды;

- в разработке метода поэтапного расчета параметров прорана и определении границ зон затопления побережья при прорыве дамбы.

Практическая значимость работы. Разработанные расчетные методы предназначены для использования при проектировании, строительстве и эксплуатации защитных грунтовых дамб значительной протяженности на берегах морей и крупных водохранилищ. Непосредственное внедрение 'результатов работы осуществлено при разработке "Технико-экономического обоснования инженерной защиты Тенгизского нефтяного месторождения от нагонных вод !{аспийского моря".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждались на научно-практической конференции "Прогрессивные методы в проектировании и строительстве морских берегозащитных сооружений" (Сочи, 1984 г.), Всесоюзной конференции "Гидрология 2000 гоца" (Москва, 1986 г.). Четвертой Всесоюзной научной конференции "Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (Москва, 1987 г.), Третьей Всесоюзной конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей" (Москва,' 1989), Всесоюзном совещании "Экология и гидравлика будущего" (Москва, 1990),

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений. Общий объем работы составляет 159 страниц, в том числе 135 страниц машинописного текста, Тб рисунков, 18 таблиц , список литературы из 146 наименований и приложения на 24 страницах.

На защиту выносятся:

1. Метод прогноза максимальной высоты нагонного подъема уровня на северо-восточном поберехьч Каспийского моря, исгсользуодиЯ установленную региональную зависимость между энергетической характеристикой ятормз и высотой кагона.

2. Способ определения эффективных нагоноопасных направлений при наличии рядов синхронных наблюдений по двум или нескольким морским гидрометеостанциям.

3.Усоверщенствованный метод расчета ветроволновой переработки неукрепленных откосов ограждающих дамб в условиях нагонного подъема и спада уровня с учетом вдольбереговых течений.

4. Метод поэтапного определения ширины прорана в теле дамбы и приближенного расчета размеров зоны затопления защищаемой территории при прорыве дамбы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований по попылению надежности расчета неукрепленных откосов защитных дамб, подвергающихся интенсивной ветроволновой переработке во время нагонных подъемов уровня моря или водохранилища, сформулированы цоли и задачи диссертационной работы, предмет защиты, показаны научная новизна И практическая ценность выполненных исследований, особенно для северной части Каспийского моря в связи с интенсивным хозяйственным освоением прибреккой зоны на фоне продолжающегося повышения уровня моря.

В первой главе рассмотрены основные особенности акватории V. гюОеретсья северо-восточной части Каспийского моря, определяющие процесс Армирования нягонов, развития ветрового волнения и вдольбере-гз!ых те-;о!",*Я. К основным чертам этого своеобразного региона отно-

сятся сравнительно небольшая площадь и мелководность бассейна, его замкнутость, обусловившие иирокое развитие непериодических колебания уровня, в том числе сгонно-нагонного происхождения. Непосредственно у северо-восточного побережья тарокое развитие получил гривисто-яа-лыжный рельеф дна - больное количество песчаных кос, подводных вала?, островков, эрозионных ложбин, банок и отмелей. При небольшой средней глубине этой части моря такая неоднородность строения дна служит преградой для распространения нагонной волны, разбивает ее фронт, препятствует возникновению устойчивых и мощных течений. Широтное направление осей донных эрозионных и аккумулятивных форм свидетельствует об их тесной связи со сгонно-нагонными явлениями.

Важной особенностью северо-восточного побережья является незначительный уклон его поверхности (0,0002.,.0,0009) и обусловленная этим подвижность линии уреза воды: повъгпение уровня моря на 1,5...2,0 метра вызывает перемещение уреза на несколько десятков километров в сторону суши и затопление огромных пространств (рис.1). Таким образом, здесь сформировался особый тип берега, который по своим особенностям больше соответствует прибрежной части крупного водохранилища, чем типичному морскому берегу.

Основным природным фактором, определяющим необходимость защиты побережья и параметры ограждающей дамбы, является уровенный режим моря. Многообразие физических процессов, определяющих колебания уровня моря, затрудняет составление долгосрочных прогнозов, поэтому в расчетах принимались две условные базовые отметки уровня: -27,3 м и -26,3 м. Больное значение имеет выделение сезонных (связанных с вну-тригодовьм распределением стока рек Волги и Урала) и деформационных колебаний уровня, к которым относятся приливно-отливныэ, сей'левые, барические, сгонно-нагэнныэ явления.

Рис.1. Границы затопления, северо-восточного побережья Северного Каспия отдельными нагонами: август 1964 гЛ——), в апреле . 1965 г. (----), в ноябре 1972 г.(— ), в апреле 1987 г.(---),

Условными знаками обозначены обозначены действуощие ( ® ) и разве дуемые нефтяные месторождения {i. ), гидрометеосташдии (а ).

Несмотря на больауо амплитуду сгоняо-нагонных колебании уровня, (до 7 и) , их сильное влияние на судоходство, рыбный промысел, прибрежные поселки, нефтепромыслы, пороги, пастбища, до недавнего временя они систематически не изучались, за исключением отдельных работ ( Н.А;Скриптунов, В.Х.Герман, Н.Д.Германский, И.5.Гетман и др.) , большинство которых посвящено северо-западному побережью Каспия. НЛ.Гершганским для всей акватории Северного Каспия была составлена карта величин нагонов и сгонов, возмоилых один раз в год, причем большая часть наблюдений относится также к северо-западной части акватории. Построение аналогичных карт для нагонов редкой повторяемости на северо-востоке Каспия невозможно из-за коротких рядов наблюдений за уровнем моря.

В связи с этим вторая глава диссертации посвящена особенностям уровенного режима моря в северо-восточной части акватории и прогнозу высоты нагонного подъема уровня, а также расчетам параметров ветрового волнения в период нагона в условиях недостаточного количества -гидрологических наблвдений з районе строительства дамбы ( поселок Тенгиз-Прорва) , для которого составлялся прогноз.

Рассмотрены теоретические методы прогноза сгонно-нагонных явлений на морях и водохранилищах, в том числе градиентный метод, основанный. на линейной зависимости уровня от градиента атмосферного давления { А.ТДудсон, Э.Шульце, Т.П.Марютин) ; методы, использующие рачлове-ние полей давления по полиномам Чебывева таи естественным составляющим ( О .И. Ее реке тевская- и др. ^ ; метод спектральной регрессии (В.Х.Герман, П.Б.Фирсов, А.В.Савельев} ; численные метода прогнозов, основанные на гидродинамических уравнениях мелкой воды ( Н.А.Лабзовский, Н.В.Вольцингер, Р.В.Пясховсхий, В.Г.Филиппов, С.Н.Овсиенко, БД.Рыбак, И.5.Гетман ); наконец, методы, испатьзуэдие вероятностный анализ уровня моря ( З.Х.Герман, С.П.Левихов ) .

К недостаткам больлинства методов относятся слохлость расчетов, необходимость задания достаточно полной исходной информация, .зависимость результата от точности метеорологического прогноза, поэтому на практике для определения высоты нагона часто используют упро-декные эмпирические соотношения, имеющие, как прах идо, региональное значение.

Для выявления связи меуду гидрометеорологическими параметра1« и высотой нагонного подъема уровня моря на северо-востоке Каспия были собрали и проаяатазироЕаяы даяние по уровенноку и ветровому режиму Северного Каспия за период с 195Ь по 1991 год: систематизированы и обработаны результаты срочных наблюдений на гндрометеостащиях остров Куланы, Большой ПеаноЙ, 1илая Коса, Звйдвестовая Иалыга, Прорва и др, В качестве основного ряда использовались наблюдения на ПС Б.Пешяой -ближайшей метеостанции к району, строительства дамбы. За период регулярнее наблюдений на станции (свыше 50 лет ) было выделено более 700 штормовых ситуаций, многие из которых сопровождались значительными подъемами уровня моря: в апреле 1946 года урозень моря во время нагона поднялся на 180 см выше среднемесячной отметки, в октябре IS56 г,-на 140 см, в сентябре IS65 г. - на 123 см, в апреле 1987 г. - на 82 см, в октябре 1558 г. - 195 см.

Известно, что в ^рмкрованяи штормовых нагонов основную роль играет касательное напряжение ветра на поверхности воды, тогда как действием градиента атмосферного давления в большинстве случаев могно пренебречь. Для касательного напряжения на свободной поверхности используется квадратичная зависимость от скорости ветра - в связи с этим при обработке гкгрометеоянформации с целью прогноза высоты нагонного подъема уровня за основную энергетическую характеристику штор wa принималась ьеличжа, раьнач сумме проекций кьадрата скорости ветра на нагоноопасное направление за отдельно взятый шторм

2

где N - число сроков наблвдениГ, V/- скорость ветра по данным срочных наблюдений, «</ - угол неуду направлением ветра и эффективным нагоноопасным направлением.

Эб^ктивное нагоноопасное направление определялось из условия близости величин гидрометеорологических характеристик, наблюденных на двух станциях в разных точках побережья во время одного и того ке шторма, что соответствует известным для Северного Каспия региональным особенностям циклонической и антициклонической деятельности. По имеющемуся ряду синхронных наблюдений на ШС Прорва и Б.Пепной вычислялись величины Е для одних и тех г.е штормов при разных нагоноопасных направлениях. Для реаенля задачи нахождения эффективного направления минимизировалась целевая функция 3>ЕТ , представляющая собой сумму разностей между вычисленными значениями Б по обеим метеостанциям за весь период синхронных наблюдений v

PET .¿[Tri»ß}-cosiv6T-6T(i)]2-Z[Trril)-co$(üG?-6P(I))] <«)

Аргументами этой функции являются значения углов румбов, соответствующие нагоноопасным направлениям - UGP для ГМС Б.Петной и Uб Т для ШЗ Прорва, V?(I) и VT(I) - наблюденные скорости ветра соответственно по двун станциям. С целью правильного выбора наиболее эффективного метода оптимизации и начального приближения были вычислены значения Р ET в пределах 80° VGT 130° ¡г USP & 140° по равномерной сетке с патом 2° по обоим аргументам. Полученный вид проекции функции 3>ЕТ на координатную плоскость ( рис.2) позволил сделать вывод о возможности использования для резеняя задачи методов безусловной оптимизации. Из множества методов ( релаксационный метод, метод покомпонентного спуска, метод Олетчерз-Ривса, Хука-Дютса и др,) был выбран один из вариантов метода покомпонентного спуска нулевого порядка, не требущип вычисления производных целевой функции, Коор- •

L-0

диватц точки минимума целевой функции определялись с помочью последовательности операций одномерной одтипизация по достаточно простому алгоритму, реализованному на персональном компьютере IBM PC/AT,

По итогам вычислений были окончательно установлены оптимальные величины углов, соответствующие эффективным нагоноопаснкм направлениям: V6Р = 237,9°, V6T « 249,2°. Полученный результат хорошо согласуется с диаграммой повторяемости уровня воды в зависимости от направления действия ветра для ГМЗ Б.Пеаной.

При аналитической обработке данных наблюдений гидрометеорологж-чеоких параметров с целью прогноза высот« нагона бати принят оле-дущие основные допущения:

- распределение характеристик ветра (интенсивность и направление) во внутркгодовнх ряда* W Б.Патной и для района Тенгиз-Прорва одинаковое;

- значение энергетической характеристики шторма Е представляет собой непрерывную случайную величину, распределенную по одному из известных теоретических законов;

- существует взаимно-однозначная связь между максимальной высотой нагона за шторм и соответствующим значением Е, причем характер

втой связи дня северо-восточного побережья Каспия и для уогья Урала ( PJG Б.Пешной) практически одинаков.

Для статистической обработки из имеющихся данных по ПС Б.Пемной и ГХ Кулалы были сформированы различные выборки: максимальные годовые и максимальные месячные значения Е соответственно за весь период наблюдений,.за бездздний период в за зимний период, дня которых затем на ЭВМ о помощью пяти критериев согласия ( Пирсона, Беряагейна, Ястремского, Романовского и Колмогорова-Смирнова) по вычисленным вмпиричсским частотам подбирался наиболее подходящий теоретический

Pro. 2. Зависимость целевой функции 3>ЕТ от выбора, углов нагоноопасних румбов дня ГМС Б.Пеяной и Прорва

закон распределения вероятности (из 15 возможных) и определялись основные статистические характеристики выборки. Эмшфические вероятности превышения определялись по формуле

р.- -тЗг •1оа* (3)

где (п - порядковый номер членов ряда, г\- общее число членов ряда. Результаты статистической обработки, показавшей, что распределение значений Е подчиняется логаряфмически-кормгльному закону (табл.1) , послужили основой для использования графоаналитического метода и соотвегствупцей клетчатки вероятностей, спрямляющей эмпирические кривые распределения максимальных годовых и сезонных значе-

ний энергетической характеристики чтормов. Для наглой выборки были построены графика функций распределения вероятности попадания величия Е в различные интервалы значена: (рис. 3) .■ Экстраполяция на область малых обеспеченностей позволма получить для Г.С Б.Пеаной необходимые величины Е ( тай:.2 ) .

Одним ив ослов тсс вопросов работы было определение характера связи между энергетической характеристикой шторма Е и высотой нагон-нога подъема уровня л Н. Доя этого по имеющимся данным за период наблюдений 1939- 1991 г,г. на ГЖ Б.Пешной на график с координатами Е - ьН были нанесены все известные случаи нагонов, причем за величину нагонного подъема уровня моря дН принималась разность между максимальным наблюденным в период нагона уровнем моря и среднемесячным ( за предыдущий месяц ) его уровнем ( рис.4 ) . Мя спрямляющей кривой графика была получена аналитическая зависимость в $орме интерполяционного полинома Лагралжа.

Значения Е редкой повторяемости определялись путем экстраполяции, использувдей линейный характер концевой частя графика. Пересчет высоты нагонного подъема уровня с ПС Б.Пешной на район Тенгиза-Прор-вы осуществлялся с помощью переводного коэффициента, величина которого была определена по имеющимся коротким рядам синхронных наблюдений за ветром и уровнем моря методом наименьших квадратов

К п»-^^1- = 1,45 <«) '

П А Нп

Для штормов обеспеченности ддч максимальных подъемов уров-

ней на Г;,С Б.Пешной за год, за безледный и за зимний период получаются соответственно величины лН =-1,80; 1,85 и 1,40 м, а доя 1$-ной обеспеченности - 1,25; 2,00 и 1,50 ы. Для района Тенгиза-Прорвк с учетом полученного значения Кд получим: для 2^-ной обеспеченности соотгетсгиенно 2,Ь; 2,6 и 2,0 м, для 1^-ной - 2,7; 2,8 и 2,1 м.

т. о

0.8

0.6

0.4

0.2

13 (х ^

1

1 4

\/ !

/ 1

11 1 .

1 ! 1 1

\ 1 ! : 1

1 1 1 1 г •

10

15

20

25

30

•ТО3

Рис.3. График функции распределения вероятности попадания величин Е в различные интервалы значений (беяледный пери-щ*

¿Н, м

2.0

Т.0

*

- . ■ | -------- *

! 1 '.1, .........

*

Н -у* • — ! >>» .¡Г \

' 1 -V*

.....

! . ----1-

10

15

20

25

30

35

ЕЛО

Рис.4. Связь энергетической характеристики пторча Е с высотой нагонного подъема уровня на ГЧС Прорва (о) и ГМС Б.Пе'ПНОй (х)

Таблица I

Результаты статистической обработки максимальных величин энергетической характеристики штормов по ГУС Б.Пенней за 1939-1992 г.г.

Сезон

Характе- Число

ристика элемен- Е

выборки тов я

выборке

Статистические Теоретический

параметры закон распре-

> ю* С С, С, деления вероят ностей

весь год полная 607 3332 12820 3581 107,5 3,88 логнормальный

безлесный полная 406 . 3325 13730 3706 Ш,5 4,36 логнормальный

весь год Е'ЗООО 230 6221 19860 4455 71,6 3,25 логнормальный

безледный Е>3000 154 6162 22950 47Э0 77,8 3,49 логнормальный

зимний ЕХ3000 76 6341 13800 3714 58,6 1,99 логнормальный

весь год максим, годовые значения 53 15980 48540 6967 43,6 1,53 логнормальный

Таблица 2

Определение величины Е различной обеспеченности по теоретическому закону распределения вероятности

п Характеристика Значения Е

пп выборки максимальное о б е с п е ч е н н П с т ь

наблюденное 1% 2% Ь%

I. Максимальные годовые значения зй весь срок 35298 45000 37000 25000

о л. а Максимальные годовые значения за безледный период 35298 45500 38000 26500

3. Максимальные месячные значения за весь срок 35298 46000' 40500 32000

В третьей главе описываются результаты натурных исследований судествуюдях зацитнах дамб, расположенных на .северо-восточном по-береа.ьи Каспийского моря, в раГ.оке эксплуатируемых и перспективных нефтяных месторождений Западная Прорва, Сарыкамыс, Кара-Арна, Те-рень-Узек и другие. Эти дамбы возводились в течение последнего десятилетия в связи с быстрым ростом уровня Каспийского моря и необходимостью защиты нефтепромыслов, килых поселков, автомобильных дорог от затопления нагонными морскими водами.

Как правило, дамбы возводились без проектного обоснования из местных засоленных грунтов, без какого-либо укрепления напорного откоса и без уплотнения грунта в процессе строительства, часто в аварийных ситуациях и в сгатые сроки. Они отличаются неоднородность» грунтового состава, сильной засоленностью и загипсовачностью грунтов /ялов/ в основании, малым объемным весом грунтов. Лабораторный анализ физико-механических свойств грунтов, отобранных из откосов, тела дамб и придамбовых карьеров, включая в себя определение физического и химического состава грунтов, изучение уплотняемости связных грунтов и определение предельных значений плотности песка в рыхлом и плотном состоянии, исследование прочкостнах и деформационных свойств связных грунтов на.сдвиговых и компрессионных приборах, изучение фильтрационных свойств грунтов.

Анализ данных натурных наблюдений показал, что в качестве строительного материала для дамб в-основном использовались местные грунты новокаспийской и мангызлакской серий четвертичных морских отложений /мелкие пески, супеси, суглинки/, содержание органические вещества, бктые рахуакя, легкорастворимые соли /до 1Г&/ и гипсы /до 2СЙ/. При компрессионных испытаниях образцов грунтов установлены еле дукате расчетные величины модуля деформации: для с упадков -

- 10,75 МПа, супесей - 14,7 Ша, песчаных грунтов - 17,66 АЛ а. Расчетные значения показателей прочности по первому предельному состоянию составляют для суглинков - ^ = 0,10 и С" 0,265 Ша, для супесей -^«Р» 0,46 и С » 0,504 МПа, для песков - 'Ц = 0,46 и С = 4,9 кПа.

Все грунты отличаются сравнительно низкими значениями козффи-циента фильтрации: для суглинков 1^=1,2*10 см/с, дтя супесей -КфжГ.в-ю' см/с и для песков Кф=2,8 м/сутки.

Установлено, что дамбы с откосами полосе 1:6 мало подвержены деформациям да?« во время сильных нагонов. В то же время крутые откосы не выдергивают волновых воздействий даже при устройстве защитных покрнтий /старые автопокрышки, нетканые синтетические материалы с пригрузкой, каменная наброска и др./.

Во время натурных исследований были определены путем нивелировки размытых откосов объемы деформаций неукрепленных ограудающих дамб в период нагонных подъемов уровня в 1589 и 1990 г.г. Всего было произведено около 60 таких измерений. Численные значения объемов деформации откосов, которые в зависимости от местоположения дамбы и типа грунта составили от 0,3 до 1,7 м?ка I пог.м дамбы, послужили основой доя определения значений коэффициентов сопротивляемости грунтов размыву в численной модели прогноза ветроволновой переработки напорного откоса проектируемой ограждающей дамбн.

Непосредственно задачам расчета ветроволновой переработки ограьдахией дамбы в условиях нагонного подъема уровня моря посвящена четвертая глава диссертации. Отмечается, что процесс переформирования огралцаящей дамбы на .морском берегу происходит в специфических условиях, к которым относятся непостоянный уровень моря, вызывающтГ трудности в определении оплеток уровня расчетной

обеспеченности; сравнительно непродолжительное--зремя зояде'стьия волн на дамбу /только во время сильных нагонов/ требует предварительной сортировки данных срочных наблюдений и осло:-н.яет подсчет продолжительности действия гетра разных направлений и градаций скорости; отсутствие катонных подъемов уровня в зимний период также требует сортировки дачных с целью выделения из всего периода наблюдений штормов за безледный период года; необходимость учета различных по скорости и направлению течений, переносящих продукты размыва.

В связи со сложностью задачи она рекачась в несколько этапов: на первом, подготовительном, по многолетним данным срочных наблюдений на ГИС Б.Певшой и ГМЗ Прорва били определены продолжительности действия ветра валноодасных румбов для различных градаций скорости ветра, по которым затем рассчитывались параметры ьетровах волн и соответствующая ш анергия /в среднем за год/. Второй, основной этап, включал в себя расчет переформирования тела дамбы волнением; при этом определялись валноэнёргегяческие характеристики, средняя высота волн, находился профоть динамического равновесия откоса дамбы, рассчитывались объемы размыва и отлоу-ения наносов. На третьем этапе осуществлялся переход от двухмерной задачи переработки откоса к пространственной путем оценки объемов и направления вдольдамбовой миграции наносов, причем просаль отмели, лолученны? на втором этапе расчета, мог измениться вследствие уменьшения коэффициента аккутяуляции накосов.

Достаточно сложной представлялась проблем? выбора расчетных методов для кагдого из перечисленных этапов расчета: б настоящее время известно *коло 60 различных методик расчета переформировал:'?, откосов ьолн&чи, более 40 методов расчета вдольбереговщс перемзле-

няй наносов.,

К числу наиболее известных и проверенных на практике относятся методы В.А.Ширямова, Ь.В.Полякова, Н.Е.Кондратьева, Б,А,Пы.1кина, Е.Г.Качугина, Л.Б.Иконникова, Г.С.Золотарева, Л.Б.Розовского и др., причем очи отличаются друг от друга способами определения предельных параметров отмели, высота наката волн, формы отмели, времени ее формирования, коэффициента размываемости пород. Для выбора основного расчетного метода нами были проведены сравнительные оценки величины переработки дамбы волнами по методам Н.Е.Кондратьева, Б.А.Пыл-кияа, Л.Б,Иконникова и Е.Г.Качугина. Наиболее близкие результаты к натурным данным по размыву защитных дамб показал метод Л.Б.Иконникова, который и бьм взят за основу при разработке метода расчета ветроволновой переработки откосов дамбы при нагонном подъеме уровня.

При расчетах волновых и волноэнергетических характеристик в качестве исходных данных использовались таблицы продолжительности действия ветра / в сутках/ по основным направлениям за безледныЯ период года /средняя многолетняя продолжительность беследного периода - с мая по ноябрь - 218 суток/. Таблицы были получены из исходной базы данных срочных наблюдений на ГМС Б.Пеаной за 1939-92 годы путем отбора и накапливания числа случаев ветра соответствукъ щего румба и градации скорости с помощью ПЭВМ /программа "ОТБОР"/ за весь период наблюдений.

Так как волновая переработка дамбы может происходить только во время нагонных подъемов уровня, в расчетную таблицу вмотались данные , относящиеся к периодам дтормов, сопровождавшихся подъемом уровня на северо-востоке Каса;ш. Значения продолжительности действия ветров различных румбов и градаций скорости получены путем последовательного суммирования соответствующих случаев срочных наблюдений

за заданный многолетний период.

Элементы ветровых ваш определялись по расчетной скорости вет- • ра, длине разгона я средней глубине по линии разгона волн. Длина разгона волн по всем волноопасным направлениям определялась по карте Каспийского моря масштаба 1:1000000 для условной точки, выбранной в средней части дамбы.

Согласно общепринятой классификация, исследуемый участок Каспийского моря относится к мелководной акватории: глубины моря здесь не превышают 0,655 , а уклоны прибрежного склона - 0,001. По ха-

рактеру ветрового поля и конфигурации берега /поле ветра поперечно-однородное, контур береговой черты имеет несложную йорму/ его можно отнести к водоемам с простыми условиями толнообразования, поэтому расчет параметров волн проводился по зависимостям Г.В.Ржеплин-ского для зоны предельного развития ветровых волн с учетом ях трансформации на мелководье:

риода и, длины волны, "V - расчетная скорость ветра, ¿> - средняя глубина моря по линии разгона волн, с учетом нагонного подъема уровня.

Основным показателем для каждого из волкооласних направлений принимается энергия волк в системе ГЦ на один погонный метр их фронта. Энергий воля выражается в кДж и при заданной продолжительности ветра Т,сут., средних высоте и периоде ветровых волн для кат,-

где ^ , Т и 5 - соответственно средние значения высоты, пе-

доЯ градации .скорости рассччтнвается по формуле:

П4= 33 • еЛ^'Г-Т «> Значения ^Ц слухах основой для расчета у.;едьнэА энергии волн, приходя-цейся на метр датаы берега по различным волнообразутим направлениям, а также продольной и нормальной ее составляющих.

Прогнозирование бэрмы деформированного откоса дамбы, вычисление параметров отмели и времени переработки откоса проводилось с помоцыо численной модели, вычисляющей координату точки раздела областей размыва и отлоз,.ения наносов, по которой затем определяется ширина отмели и ее изменения в процессе размыва (рис.5).

Рис.5. Схема к расчету ветроволновой переработки откоса дамбы при нагонных подъемах уровня: Ъ„ - фоновый уровень моря, 2,»г -отметка уровня при нагоне; ¿их - отметка верхнего предела размывающего действия волн; Н> - высота дамбы;- соответственна угол эалот.ения откоса дамбы, угол естественного откоса грунта дамбы, угол естественного откоса грунта под водой, угол плртаого отчоса

Для расчета времена пере,'(>ор:>'.т-!роьаняя отмели по заданному объе-

му ра?мыза использовалась заьтокаость

__ У г к^ &

! Кь С

.где удельный вес пород с учетом взведиваюцего влияния воды,

Н/1Д Кд - коэффициент размываемостя пород; I - эцпирическая постоянная, для наяих условий равная 0,06 м.

Значения коэффициента размываемости Кд для разных типов грунта были получены путем обратного пересчета по вышеприведенной формуле для Т, при этом в качестве исходных данных использовались данные натурных наблюдений за размывом существующих защитных дамб /табл<у„

Таблица 3

физико-механические свойства основных типов грунта

с1 ср. ! ¿и? 1 2Ггг Т У"(

Т--Г

!Угол ест.откоса,! ! град.

Название грунта

мы

¿о,Я |

I

Н/м5

1Н/«5 !

! I

¡сухой 1ПОД В0Д0Й1

Песок малкий

Песок пыле в атый

Супесь

0,27 26656 16072 34° 28*

0,22 0,19

26068 14602 30* 26264 15876 28*

26 22"

0,78

0,91 0,96

Одним из важнейших факторов, определяющих процесс размыва защитной дамбы, является уровенный режим моря, поэтому при определении границ зоны волнового воздействия на дамбу больяс значение имеет правильный выбор расчетных отметок уровня моря.

При выборе расчетных уровней моря было рассмотрено два варианта: в первом из них к уровню моря, принятому за базисный /-27,3 м/, последовательно прибавлялись величины нагонных подъемов уровня, соответствующие 12,5; 25; 37,5; 50; 75; 87,1% обеспеченности по ветру. Для полученных таким образом расчетных уровней воды проводился расчет волновой переработки дамбы, причем для наглядности высота

подъема уровня воды выражалась в долях высоты дамбы.

Во втором варианте за базисный уровень моря принимались соответственно уровни моря 12,5; 25 и т.д. %-яог. обеспеченности, полученные с помощью статистической обработки данных наблюдений за средним месячным уровнем моря в течение последних двадцати лет /табл.4/. К этим базисным уровням моря прибавлялась высота нагонного подъема уровня, рассчитанная из предположения 50-летнего срока эксплуатации защитной дамбы /т.е. 2$ обеспеченности/. При этом расчетные уровни получаются выше, чем в первом варианте.

Преимуществом первого варианта является независимость расчета от многолетних колебаний уровня моря: имея набор вариантов расчета для разных соотношений высоты нагона и высота дамбы, можно сравнительно быстро определить соответствующую величину объема размыва дамбы.

Таблица 4

Вероятность стояния абсолютного уровня моря во время нагонов /по данным срочных наблюдений на Северном Каспии за 1975-92 г.гу

Е Н,м Набс. ,м Набс.,м

I вариант 2 вариант

12.5 18000 1,15 -26,15 -27,66

25 I05QO 0,75 -26,55 -27,87

37,5 6500 0,50 -26,80 -28,01

50 4300 0,45 -26,85 -23,13

75 1600 0,30 -27,00 -28,62

87,5 550 0,10 -27,20 -28, £0

Основным результатом расчетов переформирования напорного откола дамбы /более 50 вариантов/ с учетом нагонного подъема уровня моря стало составление номограмм для определения объемов ветро-волно-вой яереработхя дамбы в заг^слмостя от положения участка дамбы в плане, отметок подоавы и гребня дамбы, коэффициента заложения отко- . са, типа грунта, времени формирования отмели и т.д..

Интенсивная переработка волнами напорного откоса в сочетании с просадочнши явлениями мохет привести х образованию в теле да-лбк проранов, через которые морская вода будет поступать на защищаемую территорию.

В связи с этим в пятой главе рассмотрены вопросы расчета параметров прорана и определения границ зон затоплен'йя территории в случае выхода из строя объектов инженерной защиты.

Рассмотрены известные методы расчета проранов в дамбах и глухих земляных плотинах, методы расчета волны прорыва и ширины зоны затопления нижнего бьефа.

Предложен новый метод расчета параметров прорана, /.опользунций в качестве основы модифицированные зависимости дня гидравлического расчета размываемого русла канала при поэтапном увеличении расхода воды. Допустимость такого подхода обосновывается идентичностью физических процессов размыва и транспорта наносоь в том и другом случае.

. Математическая модель, положенная в основу расчетных формул, использует совместное реаение уравнений движения жидкости, уравнения деформации русла и транспорта наносов, для замыкания которых приняты полуэмпирические зависимости для профиля средней скорости не вертикали и транспортирующей способности потока. Расчетные зависимости имеют следующий вид

х £ ; ^ «Ц * в,у ; ¿1/« А Цк

Л?Г; £'{>' -¿Л (-Р*.-; -(А/* + Л*) ; ^ X*

о . е, ¿1 И(р*;; - (Ли *Л*Я ■

дсу. » г ,

./V

д^ = [¿^ (£; ; (3)

(иу - К-; ; Л-/«'Л;

Л,- --/>/У^-ЛуО^Г-^^)]^ ; О/

где а 2/ средневзвешенные отметки дна за расчетный интервал времени лt на у~м участке, *»у л&у - средневзвешенное приращение шири- . ны русла,**; у>г/у - средняя по сечениг мутность потока по фракции < , кг/«/; , - объемная масса грунта, кг/1/; ^ ^ - шаг расчетов по времени, с; - средняя по сечению вертикальная скорость потока, м/с; V - коэффициент уменьшения сопротивляемости грунта размыву на откосе.

Исходными данными идя расчета являются гидрограф в створе прорана и физико-механические свойства грунтов дамбы. При задании гидрографа ь качестве начального условия был принят максимальный уровень нагона, равный высоте дамбы.

Начало формирования прорана, согласно наблюдениям, связано с повышением уровня моря до величины 0,9...0,95 высоты дамбы, когда из-за воздействия волн, просадочяых явлений от смачивания грунта, усиливающегося фильтрационного потока на пониженных участках дамбы образуются промоины, быстро расширяющиеся по мере дальнейшего роста уровня и увеличения расхода воды, переливающейся через дамбу.

Процесс сформирования прорана в теле дамбы и скорость затопления

защищаемой территория во-многом определяются динамикой изменения уровня моря во время нагона. Как показывает анализ мареографичес-ких наблюдений, скорости подъема уровня колеблются от 0,019 до 0,18 м/час /среднее значение - 0,039 м/час/, причем, как правило, высокие скорости подъема уровня характерны для начальной стадии развития нагона, а низкие - при подходе к максимальному уровню. Средние скорости спада уровня изменяются от 0,01 до 0,10 м/час, при максимальных значениях до 0,12 м/час,

В качестве гидрографа при расчете параметров прорана было принято изменение уровня моря во время типичного нагона. С помощью численной модели определялись параметры прорана, изменяющиеся в процессе размыва в течение двух суток с шагом по времени 0,5 час. Ширина прорана, в зависимости от грунтрвых условий, составила от 1,3 до 3,8 высот дамбы, однако предельная ширина размыва достигнута не была.

Полученные в результате расчета гидравлические характеристики потока послужили рсновой для определения объема морской воды, про-текаей через проран. При расчете площади затопления территории с малыми уклонами рельефа использовался приближенный метод, основанный на определении времени добегаяия объемов воды до отдельных участков с эллиптическими границами, симметричными относительно оси прорана. Это гре:ля находится путем деления объема зоды, кото-рай долзкен поступить на заданный участок, чтобы затопить его на рассчитанную заранее глубину, на расход в створе прорана. Скорость перемещения волны прорыва ввиду малой глубины принималась равной скорости течения в сухом русле, рассчитанной по формуле Шезя-Мая-нинга /при"= 0,04/. Ввиду быстрого спада уровня воды площадь затопления оказалась небольшой - 24 км , что свидетельствует о достаточно высокой эффективности дамбы.

ОБЩИЕ ВЫВОДУ

1. В работе описаны основные особенности акватории и рельеФа дна северо-восточной части Каспийского моря, подчеркивается своеобразие уровенного регдаа и течений, большое влияние сгонно-нагон-кых явлений на хозяйственную деятельность в прибрежных районах, рассмотрена экологическая' обстановка в регионе в связи с продолжающимся подъемом уровня моря.

2. Создан банк данных на магнитных носителях, включающий в себя гидрометеорологическую и гидрологическую информацию по Северному Каспию за 1939-92 г.г., с помодью которой можно определять расчетные характеристики ветра и уровня моря за требуемый период времени, составлять любые выборки для статистического анализа.

5. Разработана методика расчета нагонных подъемов уровня заданной обеспеченности при недостаточности данных наблюдений для северо-восточного побережья Каспийского моря, использующая зависимость высоты нагона от энергетической характеристики шторма.

4. С помощью методов безусловной оптимизации определены эффективные нагоноопасные направления для устья Урала и района Тенгиз-Прорва.

5. На основе собранной гидрометеорологической информации рассчитана высота нагона 2^-ноЦ обеспеченности доя района Тенгиз-Прорза путем пересчета с ГМО Б.Пешной, для которого имеется многолетний ряд наблюдений за ветром я уровнем моря.

6. Проведены натурные обследования существующих локальных дамб обвалования дейстаущях нефтепромыслов и хилых поселков, изучены йизикэ-механические свойства грунтов, используемых для строительства дамб, определена сравнительная эадектшзность различных вариантов зацятиых покрытий отюсоб дамб. Путем обмера размытых волнами в

период нагона откосов дамб установлена величины коэффициентов раэ-мнваемости дая различных типов грунта.

7. Усовершенствована методика определения объемов ветроводно-вой переработки неукрепленного откоса дамбы путем учета нагонного подъема уровня моря и вдольберегового транспорта наносов.

8. При расчетах параметров ветрового волнения на Северном Каспии были учтены фоновые изменения уровня моря и высота нагона. ,

• 9. Разработана программа для ПЭВМ 1ВИ РС/АТ и проведени раечв- ■ ты объемов ветроволновой переработки напорного откоса дамба с у®— * том вдольберегового течения для различных сочетаний грунтовая ж -гидрометеорологических условий, составлена номограммы для опредевэ-няя объема переработки в зависимости от соотношенет высоты даяби

и нагонного подъема уровня, типа грунта, коэффициента заложения от*

коса, угла подхода волн.

10. Разработана методика поэтапного расчета процесса йорияротв-ния прорана в теле дамба, основанная на зависимостях, полученных

■ для размываемых русел каналов.

11. Определены размеры зон затопления защищаемой террит- рил через проран для нагонов различной обеспеченности по высоте и по

продолжительности стояния максимального уровня.

• *

Основные результаты диссертации, опубликованы в работах: .

1. Малковнч К.И., Ходзинская А.Г. Лабораторные исследования формирования устойчивой формы, русла в неоднородных несвязных грунтах / Сб.научных трудов В/О Союзводароект. - К., 1985. -

2. Машкович К.И. Устойчивость песчаных откосов и раочэт их " переработки волнением / Сб. тезисов докладов Всесоюзной конфере஧а молодах ученых "Гидрология 2000 года". - Ы.:АН СССРД9®6. -еЛ£Ь-322_

3. Рекомендации по расчетам ветровых волн и транспорта наносов в больших канатах /с соавторами/. - М.: ЦНИИС, 1986. - 64 с.

4. Алиев Т.А., Маркович К.И. Метод гидравлического расчета каната / Инф.листок о научно-техническом достижении. - М.¡МосойлЦНТИ, IS87. - 3 с.

5. Гаткии В.А., Малковяч К.И., Хасхачих В.Г, Формы устойчивых откосов каналов, проложенных в мелкопесчаных грунтах // Оптимизация технологических процессов и совершенствование проектирования на базе гидравлических исследований: Сб.тр, Моск.инк.-строит.ин-та им. В.В.Куйбымева. - М.: МИСИ, 198*. - с.78-83.

6. Литвин Ю.А., Джалклов A.A., Маикович К.И. Обоснование параметров инженерной зациты северо-восточного побережья Каспийского моря от затоплений / Гидротехническое строительство, J6 3, I9S0. -с.9-12.