Тенденции в развитии методов защиты берегов водохранилищ и морей (обобщение практики экспертного рассмотрения проектно-сметной документации, статья опубликована в 2005 г.)
В.Ю. Леушин - начальник Главгосэкспертизы России
Т.Б. Малаханова - начальник Отдела объектов коммунального и водного хозяйства
В.П. Суровцев-Бутов - главный специалист
Длина морского побережья в России составляет 33,0 тыс. км, а равнинных водохранилищ – 50,0 тыс. км. Объем размываемых береговых склонов достигает ежегодно 250-300 млн. м3.
В связи с этим, поиск и развитие эффективных методов берегозащиты является основополагающим фактором для эффективного решения социально-экономических и экологических проблем на прибрежных территориях.
Специалисты Главгосэкспертизы России на основе рассмотренной ПСД и с учетом мировой практики берегоукрепительных работ рассматривают основные тенденции в развитии методов берегозащиты.
Ниже представлены наиболее характерные примеры существующей практики проектирования береговых защитных сооружений.
Рабочий проект «Берегоукрепительные мероприятия в п.Алексино
в районе очистных сооружений в г.Новороссийске (0,94 км)»
Участок работ расположен южнее г.Новороссийска в п.Алексино, в районе городских очистных сооружений.
На проектируемом участке берегоукрепления происходит абразия берегового склона в результате действия волн.
Максимальная высота волны 1% обеспеченности достигает 1,5 м.
Рабочий проект предусматривает защиту берега в пределах границ
очистных сооружений в виде вдольбереговой волногасящей каменнонабросной дамбы со следующими параметрами:
ширина бермы принята не менее 18,0 м из условий защиты от абра-зии;
абсолютная отметка бермы равная +2,4 м определена высотой наката волн при уровне моря 1% обеспеченности;
для отсыпки тела берегозащитной дамбы применяется скальная порода с массой отдельных камней не менее 130 кг. Доля камней с массой менее 130 кг не должна превышать 25% от общего объема отсыпки;
для увеличения устойчивости морского откоса дамбы проект предусматривает его защиту укладкой камней массой более 150 кг в три слоя.
Пористость тела дамбы принята равной 30%.
В заключении Главгосэкспертизы России отмечены следующие замечания к рабочему проекту:
В проекте принята заниженная пористость скального грунта в теле дамбы, равная 30%, что приводит к завышению массы отсыпаемого скального грунта. Пористость щебня следует принять не менее 35%.
Предлагаемые в проекте мероприятия для увеличения устойчивости морского откоса дамбы с помощью его выкладки камнями массой более 150 кг в три слоя с применением контейнеров, следует считать излишним, противоречащим основной идее волногасящей бермы.
Коренным преимуществом волногасящей бермы, по сравнению с сооружениями, противопоставляющими волновому потоку большие габариты и жесткие конструкции, является возможность придания им распластанного поперечного профиля, отвечающего естественному накату волны при обрушении ее на берег, а также изменяемость строительного профиля до профиля динамического равновесия в процессе эксплуатации.
При сооружении на мористом откосе дамбы «брони» из трех слоев крупных камней создаются условия увеличивающие абразию подножья дамбы за счет интерференции волн (увеличение высоты волны до 2 раз). Кроме того, многодельная работа по отбору и укладке камней оказывается излишней.
Также усилится краевой эффект на низовом участке дамбы, за счет отсутствия наносов с верхового участка и участка бермы.
В результате учета указанных принципиальных замечаний по конструкции берегоукрепления и замечаний по ПОС и сметам стоимость строительства значительно снижена.
Рабочий проект «Реконструкция берегоукреплений г.Новороссийска
от Западного мола до мыса Любви – 1,1 км»
Участок работ расположен на Западном берегу Новороссийской бухты вдоль застроенных кварталов г.Новороссийска. Протяженность берегоукрепления от Западного мола до мыса Любви равна 1100 метров.
На северном участке дамбы высота волн 1% обеспеченности достигает 2,8 м, на южном участке - 1,7 м.
Берегоукрепление производится с целью повышения надежности су-ществующих сооружений и для создания рекреационного пляжа.
В шестидесятые годы прошлого столетия в г. Новороссийске велось строительство волнозащитных вдольбереговых подпорных стен и набережных, в том числе и в районе Западный мол-мыс Любви.
За прошедшие десятилетия вдольбереговая стенка на рассматриваемом участке берега претерпела деформации и разрушения, вызванные воз-действием штормовых волн. Пляж почти на всем протяжении участка раз-мыт.
Проект предусматривает устройство берегоукрепления каменно-набросной призмой из бутового камня шириной 10 м, располагаемой с морской стороны существующей волнозащитной стены. Расчетный диаметр камня равен 0,9 метров. Перед призмой отсыпается искусственный пляж шириной 25 м. Пляж отсыпается из привозного щебня диаметром 30-40 мм.
Для предотвращения размыва пляжа вдольбереговым течением на Северном и Южном участках устраиваются две новые буны длиной 171 м и 65 метров из камня. Расчетный диаметр камня бун – 0,6-0,9 метров.
Принятая в проекте заниженная пористость скального грунта в теле дамбы приводит к завышению массы отсыпаемого скального грунта. В раздел эксплуатации рабочего проекта рекомендовано включить следующие вопросы: затраты на содержание штата; оснащение службы эксплуатации стоимость эксплуатации.
В результате исправления указанных принципиальных замечаний конструкции берегоукрепления и замечаний по ПОС и сметам сметная стоимость строительства снижена в два раза.
Рабочий проект «Берегоукрепление на Куйбышевском водохранилище
у п.Приморский Ставропольского района Самарской области»
Участок строительства расположен на левом берегу Куйбышевского водохранилища на Западной стороне пос. Приморский Ставропольского района.
Расчетная высота волн 5% обеспеченности достигает 1,4 м.
Необходимость берегоукрепительных работ вызвана тем, что участок рассматриваемой территории, примыкающий к Куйбышевскому водохранилищу, подвергается ежегодному разрушению под влиянием ветроволнового воздействия, в период паводка, а также в результате воздействия поверхностного стока дождевых и талых вод на верхнюю часть берегового склона.
Принятая конструкция является откосным типом берегоукрепления в виде каменной наброски протяженностью 300 метров из несортированной смеси с расчетным диаметром камня 0,51 метра.
По щебеночной подготовке выполняется наброска из камня толщиной 120 сантиметров. В составе каменной наброски предусмотрена укладка не менее 50% камня расчетного диаметра. Камень, используемый для крепления откоса, отвечает следующим требованиям: марка по прочности на сжатие более 40 МПа; марка по морозостойкости более 100; водопоглощение – не более 6% по массе с коэффициентом размягчения в воде не менее 0,75.
Для предотвращения эрозии склона, откос выше отметки, наката волн закреплен несортированным камнем толщиной 35 сантиметров.
В результате рассмотрения рабочего проекта экспертиза указала на необходимость представить экономическую эффективность предлагаемых мероприятий, определить величину ущерба при размыве защищаемого участка берега.
Так как средства, выделяемые из бюджета Российской Федерации не покрывают определенные затраты, направляемые на строительства берегоукрепления длиной 300 м, рекомендовано решить вопрос о выделении дополнительных средств, необходимых для выполнения берегоукрепительных работ, в виде долевого участия организаций и физических лиц, которым этот участок будет передан в долгосрочную аренду.
В рабочем проекте отсутствует раздел «строительные материалы», что исключает возможность рассмотрения других вариантов берегоукреплений, например, таких как песчаный или галечный пляж.
В качестве основного крепления подножья берегового уступа принято крепление каменной наброской на двух слоях фильтра.
Крепление круто наклонных береговых откосов (1:2) создает условия для возникновения интерференции волн (отраженная и набегающая волна складываются) и увеличения высоты волны, интенсивности размыва откоса и отмели.
Рекомендовано произвести технико-экономическое сравнение вариантов берегозащиты.
При пологих откосах происходит разрушение волны. Поэтому более рациональным, менее затратным мероприятием будет применение облегченного крепления мокрого откоса насыпи из местных грунтов с шириной полки по верху 3-5 м и коэффициентом заложения откоса 1:10 - 1:15 у подножья берегового уступа. (СНиП 2.06.04-82* «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)» и «Рекомендации по проектированию берегоукрепительных сооружений на водохранилищах» Киев. 1987).
Этот вариант улучшает ландшафт территории, сохраняет возможность ее использования для целей рекреации.
Каменное крепление откоса толщиной 35 см выше максимальной отметки крепления подножья откоса от размыва волновым потоком и отметок воздействия волн не обосновано.
Рекомендовано заменить каменное крепление креплением слоем растительного грунта толщиной 30 см с засевом или гидропосевом местными районированными видами травосмесей, по типу креплений низовых откосов плотин или с применением для крепления откоса рулонного материала Мак-Мат.
Применение указанных выше предложений увеличивает эстетическую ценность побережья, расширяя тем самым возможность использования его в рекреационных целях.
В раздел эксплуатации рабочего проекта экспертизой рекомендовано включить следующие вопросы: затраты на содержание штата; организация технической эксплуатации; организация ремонтных работ; оснащение службы эксплуатации; стоимость эксплуатации.
Рабочий проект «Берегоукрепление на Воткинском
водохранилище у п.Частые Пермской области»
Участок строительства находится в Пермской области на территории поселка Частые, расположенного на берегу Воткинского водохранилища.
Под действием волн, ежегодное отступание береговой черты у п. Частое составляет от 1,5 до 3,0 метров. За период с 1991 года до 2003 года по данным изысканий 2003 года, от разрушающего воздействия волн, на участке берегоукрепления, смыто до 30 м берега. С момента строительства плотины Воткинского водохранилища, разрушена и смыта волновым потоком территория, занимаемая двумя кварталами поселка Частые, протяженностью вдоль береговой линии равной трем километрам.
Берегоукрепительные сооружения относятся к III классу гидротехнических сооружений.
В рабочем проекте принята конструкция берегоукрепления полуоткосного типа из коробчатых габионов и матрасов Рено. В нижней части, на отмели перпендикулярно линии берега укладываются матрасы Рено толщиной 23 см, длиной 5,0 м. На матрасы Рено устанавливаются коробчатые габионы (1х1м), образующие вертикальную часть крепления. Выше, на спланированный или насыпной откос укладываются матрасы Рено до отметки максимального наката волн.
Выше отметки максимального наката волн откос закреплен посевом трав.
Рабочий проект «Берегоукрепление I-ой очереди на Куйбышевском водохранилище у с.Хрящевка Ставропольского района Самарской области»
С момента заполнения Куйбышевского водохранилища значительная часть береговой полосы подверглась переработке, особенно левобережная часть. Отступление берега на участке берегозащиты у с.Хрящевка Ставропольского района Самарской области за период с 1957 года составило 160-200 метров.
При сравнении карт 1966-1986 годов на исследуемом участке отмечено, что за 20 летний период произошло отступление береговой линии примерно на 100-150 м, что составляет около 6 м в год.
Прогноз показал, что в ближайшие 20-40 лет на отдельных участках возможно отступление бровки берега непосредственно к с.Хрящевка.
Рабочий проект предусматривает выполнение берегоукрепления на участке берега длиной 1,2 км, застроенного жилыми домами с.Хрящевка. Этот участок служит продолжением построенного ранее участка берегоукрепления длиной ~ 2,0 км, расположенного выше по течению.
Необходимость берегоукрепительных работ вызвана тем, что участок рассматриваемой территории, примыкающий к Куйбышевскому водохранилищу, подвергается ежегодному разрушению под влиянием ветроволнового воздействия, в период паводка, а также в результате воздействия поверхностного стока дождевых и талых вод на верхнюю часть берегового склона.
В проекте принят вариант берегоукрепления в виде подпорной стенки из габионов.
Стенка выполняется из 3-х рядов вертикально поставленных коробчатых габионов размером 2×1×1 м, в основании которых укладываются матрацы Рено размером 5×2×0,3 метра. Все матрацы и коробчатые габионы связываются между собой вязальной проволокой. С тыловой грани стенки прокладывается геотекстиль, препятствующий выносу грунта за стенку. Со стороны лицевой грани стенки в концевой части матрацев Рено устраивается зуб из камня.
Замечания экспертов по этим двум объектам берегоукрепления, в основном, аналогичны замечаниям к проекту берегоукрепления на Куйбышевском водохранилище западного участка пос. Приморский.
В проектах берегозащитных сооружений наметилась тенденция отказа от широко применявшихся ранее жестких конструкций береговых гидротехнических сооружений из железобетона, таких как подпорные стенки, буны, волноломы, откосные плиты, являющихся инородными телами для динамической зоны побережья, и переход на использование конструкций изменяющихся, деформирующихся в процессе взаимодействия с волновым потоком: каменная наброска, габионы., но все еще редко применяются, одобренные мировым опытом берегозащиты, свободные пляжи с широким диапазоном средней крупности, слагающего их, пляжеобразующего материала.
Наиболее характерные недостатки рассмотренных проектов
берегозащиты могут быть представлены следующим образом:
1. Отсутствие целевых генеральных схем или ТЭО берегозащитных мероприятий на всё водохранилище или на литодинамическую зону побережья.
2. Отсутствие в проектах разделов стройматериалов, что ограничивает рассмотрение различных вариантов берегоукреплений, не дает возможности разработать проект развития карьерного хозяйства на период строительства и эксплуатации.
3. В проектах не представляется экономическая эффективность предлагаемых мероприятий и не определяется величина ущерба при размыве защищаемого участка берега.
Строительство и эксплуатация защитных сооружений за расчетный срок службы сооружений должны обходиться дешевле, чем перенос защи-щаемого объекта.
4. Применение в качестве берегозащиты круто наклонных конст-рукций вызывающих отторгающие тенденции волнового потока, размыв дна за счет возникновения отраженных волн.
5. Завышение величины волновых воздействий на конструкцию берегоукрепления находящуюся на береговой отмели.
6. Отсутствие в проектах разделов эксплуатации берегозащитных сооружений.
Основные концепции методов берегозащиты водохранилищ и морей на основе научных разработок, представленных в нормативных документах, и успешного их применения в последние годы можно сформулировать следующим образом:
Успехи береговой гидротехники несомненны ученые и инженеры гидротехники предложили для защиты берегов немало хороших конструкций. К сожалению, огромные возможности технического прогресса породили иллюзию, будто с природными процессами можно не считаться.
Строительство сооружений, укрепляющих берега, должно вписываться в комплекс общих мероприятий по охране и рациональному использованию побережий.
Задача таких мероприятий состоит в том, чтобы они полностью охватывали береговую зону в пределах целостных природных систем и сводили к минимуму нарушение природных связей и, напротив, максимально используя природные условия, «помогали» берегам в их самозащите.
Возникает необходимость создания и реализации моделей управления природными процессами в береговой зоне.
Имеющийся опыт показывает, что задача защиты берегов водохранилищ и морских берегов от разрушения волнами не является чисто технической, поскольку по своей сути и содержанию она требует комплексного подхода. Поэтому требуется переход к прогрессивным методам и техническим решениям с отказом от примитивного противоборства с морем в пользу «сотворчества» с ним.
Устаревшая парадигма «техника может все» ведет к уничтожению природных комплексов и превращает побережье водохранилищ и морей в малопривлекательный продукт современной строительной индустрии.
Защита морских берегов исключительно галечными и песчаными пляжами стала в последнее время приоритетным направлением на берегах Черного, Азовского и других морей.
С 1982 года по 1993 год искусственными пляжами защищено от абразии около 70 км юго-восточного побережья Черного моря. Внедрение защиты берегов пляжами позволило снизить вдвое объемы капитальных вложений на защиту черноморского побережья Кавказа от волнового разрушения по сравнению с прежними методами строительства «жестких» систем берегоукрепления.
Во всех случаях следует отказаться от порочной практики локальной берегозащиты, так как неизбежные при этом изменения на смежных участках, только усложняют решение проблемы в целом.
Технически грамотным, в настоящее время, может быть признан про-ект, в котором господствующим фактором является пространственная компоновка всего берегоукрепительного сооружения с подходами к нему (зоны насыщения) и более того положение этой пространственной компоновки в пределах соответствующей литодинамической зоны побережья.
Побережье разделено на множество динамических зон. Вся совокупность литодинамических и морфодинамических изменений в каждой из ди-намических зон представляет единую систему. Возмущение естественное или искусственное, внесенное в такую систему со временем распространяется на всю зону. Эта основополагающая закономерность особенно важна в случае искусственного нарушения динамики зоны насыщения. Каждое береговое гидротехническое сооружение, внесенное в динамическую систему, становится инородным телом. Главная реакция динамической системы на инородное тело сводится к его отторжению. Степень отторгающей реакции пропорциональна габаритам инородного тела и степени его гармоничности с окружающей средой.
Оптимальное решение может быть найдено в результате подхода, ко-торый обеспечивает сохранение или изменение береговых процессов в бла-гоприятном направлении.
Это касается мероприятий по созданию регулирующих геотехнических систем, в том числе уже существующих в природе элементов самозащиты от волнового разрушения.
Существует несколько научных методов использующих природные аналоги самозащиты берега от воздействия волнового потока:
I. Метод инженерной морфодинамики берегов водоемов, в основу которого положено всемерное использование природного закономерного проявления феномена самозащиты берега и факторов его определяющих.
Тактика инженерной морфодинамики на берегах , где в силу случайного благоприятного стечения обстоятельств для достижения цели достаточно «аборигенных» - реально сложившихся здесь тенденций и проявлений самозащиты берега должны в первую очередь и в полном масштабе использовать имеющийся даровой самозащитный потенциал. Например, если тело коренного берега состоит из системы блоков разной прочности – следует ориентироваться на прерывистое крепление. На берегах оконтуриваемых барами следует усиливать эти природные береговые формы, превращая их в оградительные береговые гидротехнические сооружения.
Использование принципов метода инженерной морфодинамики бере-гов водоемов для решения задач инженерной защиты берегов от разрушения действием волнового потока базируется, в первую очередь, на учете четырех основополагающих положений. Это прежде всего, всемерное использование и стимулирования естественных самозащитных тенденций механизма природного берегового процесса. Во-вторых, учет последствий техногенного вмешательства на рассматриваемом участке берега на смежные участки (прогнозирование масштабов проявления провоцируемых проектируемым техногенным вмешательством краевых эффектов). В-третьих, использование для решения задачи, прежде всего, средств (устройств), способных в процессе взаимодействия с волновым потоком деформироваться, сохраняя при этом берегозащитные или наносорегулирующие свойства. Объект инженерной защиты не должен провоцировать отторгающих тенденций волнового потока, а приспосабливаться к его воздействию. В-четвертых, всемерное использование местных грунтов в качестве строительных материалов.
II. Структурно-динамический подход заключается в изменении качественных и количественных характеристик морфо- и литодинамики береговой зоны.
Примером может служить: создание валунно-галечной призмы в тыльной части курорта Пицунда, строительство галечных пляжей в условиях отмелых песчаных берегов восточной части Азовского моря, проект волногасящих берм из скального грунта, построенных на участке длиной 8 км, в пределах Байкальского участка БАМа.
Волногасящие бермы из несортированного скального грунта (разработка научно-исследовательского центра «Морские берега» г. Сочи), распластанного и изменяемого в процессе эксплуатации поперечного профиля показали свои высокие экологические и инженерные качества, исключившие необходимость использования на Байкале каких-либо других берегозащитных сооружений и тем более из бетона.
III. Энергетический подход направлен на снижение и рассеивание энергии в зоне действия прибойного потока. К энергетическому подходу относится создание искусственных пляжей.
Защита берегов водохранилищ и морей искусственными пляжами сводится, главным образом, к созданию активного баланса наносов путем отсыпок для регулируемого продольного перемещения наносов.
Теоретической основой восстановления пляжей на черноморском по-бережье явился ретроспективный анализ состояния берега до начала интенсивного размыва, который резко активизировался после антропогенного вмешательства: изъятие наносов пляжей и из русел рек, строительство плотин ГЭС.
Серьезный ущерб берегам был нанесен неумелым тиражированием стандартных решений, в частности, строительством подпорных стен, бун, подводных волноломов и др.
Вследствие такой деятельности были истощены естественные источники питания, разорваны потоки наносов и нарушен баланс наносов береговой зоны в целом.
Переход к новой технологии предопределяет значительное снижение удельной стоимости берегозащитных работ.
В области искусственного пляжеобразования разработаны и внедрены различные способы отсыпок и доставки морским транспортом:
метод насыщения волнового потока точечными источниками пита-ния;
регулирование продольного перемещения песчаных и галечных наносов с помощью деформируемых (размываемых) бун из грунтовых смесей;
эффективным приемом искусственного питания пляжей в пределах литодинамических систем и ячеек является «репассинг», т.е. переброска материала с участков постоянной аккумуляции в зону зарождения потока наносов или в места с дефицитом наносов (успешно применен при восстановлении пляжей Северной и Бзыбской литодинамических систем).
Перспективным способом берегозащиты является упреждающая, неполнопрофильная отсыпка оградительных береговых дамб, который позволяет сократить первоначальной объем насыпи в период строительства и уменьшить величину омертвления капитальных вложений. Дамба отсыпается в объеме меньшем, чем это необходимо для сформирования профиля динамического равновесия мокрого откоса дамбы по отношению к расчетному волнению.
Строительный объем насыпи неполнопрофильной дамбы в 1,5-2,0 раза меньше объема насыпи дамбы с профилем относительного динамического равновесия.
Сооружение возводится таким, чтобы оно выдержало максимальный расчетный шторм. Обеспеченность расчетного шторма принимается от 4 до 2% в режиме (1 раз в 25-50 лет) в зависимости от класса капитальности защищаемых объектов.
После окончания расчетного шторма, при необходимости, выполняют досыпку дамбы до первоначального объема.
При недостаточном объеме в районе строительства оградительных дамб песчаных грунтов и наличии связных грунтов возможно возведение комбинированной дамбы.
Способ строительства комбинированной дамбы заключается в том, что тело оградительной дамбы выполняется из местного связного грунта, а ее мокрый (морской) откос отсыпается защитной одеждой из песчаного материала, объем которой рассчитывается на действие расчетного шторма и нагона, которые могут иметь место один раз в 25 или 50 лет.
Сотни километров неполнопрофильных дамб из связных грунтов были отсыпаны при защите от нагонов Каспийского моря Тенгизского и Эмбинского нефтяных месторождений, на побережье на побережье Казахстана и Калмыкии.
Способ упреждающей, неполнопрофильной отсыпки требует коренного изменения тактики проведения строительных работ, которые должны выполняться постоянно, т.е. восстановление объектов производится постоянно или периодически, но только если это обусловлено природными факторами. Таким образом, этот способ (при непрерывном производстве работ) имеет три коренных преимущества перед традиционным выполнением работ под ключ:
во-первых, для выполнения стратегической задачи, обеспечение устойчивости сооружения под действием шторма расчетных параметров, объем может быть существенно сокращен по сравнению с объемом необходимым для обеспечения устойчивости в течение всего проектного периода эксплуатации, а следовательно, при равных условиях сооружение может быть введено в строй за значительно более короткий период времени, чем требуется для традиционных сооружений;
во-вторых, восстанавливается сооружение только настолько, чтобы снова могло выдержать воздействие расчетного шторма, а из практики из-вестно, что преобладающее большинство сооружений береговой гидротехники за проектный период эксплуатации не подвергаются воздействию расчетных штормов и тем самым обеспечивается удельное сокращение объемов строительных работ;
в-третьих, если будет правильно организован строительно-восстановительный процесс возведения объектов береговой гидротехники, то повысится коэффициент использования строительных механизмов и материалов при одновременном улучшении качества строительных работ, ибо строители постоянно должны находиться в пределах берегозащитного фронта и реагировать на действия природы, с одной стороны, и отвечать за свои действия с другой стороны.
Использованная литература:
1. СП 32-103-97 Проектирование морских берегозащитных со-оружений. Корпорация «Трансстрой» М. 1998.
2. В.М. Пешков Морские берега. Краснодар. «Кубанский учеб-ник». 2000.
3. В.М. Пешков Галечные пляжи неприливных морей (вопросы теории и практики). Автореф. диссерт. на соиск. уч. степени докт. геогр. наук. М. МГУ, 1994.
4. Ю.Н. Сокольников Отторжение акваторий в прибрежной зоне. Киев: Наук. Думка, 1976.