Обоснование параметров гибких быстровозводимых дамб из высокопрочных композитных материалов

Актуальность темы

По данным ООН за последние 10 лет средне ежегодное количество пострадавших от наводнений на планете составляет 94 млн. 950 тыс. человек (1,6% населения Земли). Число погибших от наводнений за последние 10 лет XX века (1990;1999) составило около 100 тыс. человек (99 тысяч 748 человек). В прошедшем XX веке от наводнений на планете погибло более 1 млн. человек. Ежегодные (средне годовые) убытки от наводнений составляют 70 млрд. долларов США.

Экспертами отмечается тенденция роста ущерба от наводнений и это объясняется увеличением антропогенной нагрузки в бассейнах рек. Если за последние 100 лет население мира увеличилось с 1,5 млрд. чел. до 6,0 млрд. человек (т.е. в 4 раза), то в бассейнах рек оно возросло значительно выше.

В бассейне только одной реки Янцзы (Китай, 2000) проживает 400 млн. человек («7% населения мира). В Ростовской области на начало XIX века проживало 300 тыс., на начало XXI века — 4,5 млн. (т.е. среднее увеличение плотности населения в 15 раз), но оно крайне неравномерно если на севере области (Заветинский район) оно составляет 4 человек на 1 км², то в отдельных ареалах центральной части области (Аксайский район) оно составляет 2500.2600 чел. на 1 км² (т.е. выше средней плотности почти в 60 раз).

Наводнение в 1993 г. на крупнейшей реке Северной Америки — Миссисипи (длина реки 5971 км, площадь бассейна 3268 тыс. км2, расход воды в устье 18 000 м3/с) причинило ущерб 15,7 млрд. долларов США.

За период с 1991 по 1998 годы на крупнейшей реке Азии — Янцзы (длина реки 5800 км, площадь бассейна 1808 тыс. км2, расход воды в устье -34 000 м3/с) произошло 5 наводнений с общим экономическим ущербом 108,7 млрд. долларов США. Только в 1998 г. при не самом большом паводковом расходе 56 400 м3/с погибло более 3600 человек.

На Амуре (длина реки 4444 км, площадь водосбора 1855 тыс. км2, расход воды 10 900 м3/с) за 60 лет было 54 катастрофических наводнения.

Благодаря дамбам сохраняются города Хабаровск, Биробиджан, Благовещенск, Комсомольск-на-Амуре.

Ущерб от наводнения в 2002 г. только в Германии оценен правительством этой страны в 15 млрд евро.

Земля встретила XXI век развивающимся экологическим и социальным кризисом.

Естественная экосистема планеты интенсивно осваивается. По данным ООН естественные экосистемы сохранились только на 1% в Индии, на 4% в Европе (без России), на 5% в США, совершенно не сохранились в Японии. В развитых странах (США, Япония, Франция, Германия и др.) так называемых странах «золотого миллиарда» расходуется около 86% всех мировых ресурсов и образуется 76% всех отходов от хозяйственной деятельности.

Наводнения являются одним из наиболее часто повторяющихся стихийных бедствий, а по площади охватываемых территорий и наносимому ущербу превосходят все другие чрезвычайные ситуации. В России площадь паводкоопасных территорий составляет 400 тыс. км2, на них проживает более 10 млн. россиян. Ежегодно подвергается затоплению около 50 тыс. км2. Наводнениям с катастрофическими последствиями подвержена территория в 150 тыс. км2, где расположены 300 городов, десятки тысяч населенных пунктов, большое количество хозяйственных объектов, более 7 млн. га сельхозугодий.

Но даже в тех странах, где накоплен многовековой опыт защиты территорий с помощью дамб обвалования, например, в Голландии (дамба от голл. dam) происходят катастрофы. 1 февраля 1953 года в результате прорыва дамбы было затоплено более 150 тыс. земель и погибло более 2000 человек.

Обострение проблемы наводнений в России непосредственно связано с прогрессирующим старением основных фондов водного хозяйства вследствие постоянного уменьшения объемов капиталовложений в водную отрасль в течение последних 10 лет. Ухудшение технического состояния напорных гидротехнических сооружений резко увеличивает риск их разрушений во время паводков и половодий. Дополнительными факторами риска антропогенного характера является изменение стока на хозяйственно освоенных и подвергнутых трансформациям водосборных территорияххозяйственное освоение паводкоопасных территорий в нижних бьефах гидроузлов и размещение там хозяйственных объектов и жильястеснение живого сечения потока рек. Все это приводит к наводнениям с тяжелыми и катастрофическими последствиями, нанесению значительного ущерба объектам экономики, здоровью людей и человеческим жертвам.

Среднемноголетний ущерб от наводнений в России оценивается в 41,6 млрд руб. в год (в ценах 2001 г.), в том числе в бассейнах рек: Волга — 9,4 млрд руб., Амур — 6,7 млрд руб., Обь — 4,4 млрд руб., Терек — 3 млрд руб., Дон — 2,6 млрд руб., Кубань — 2,1 млрд руб., Лена —1,2 млрд руб., оз. Байкал 0,9 млрд руб., прочих рек — 10,7 млрд руб.

Если в начале XIX века возможно было три степени борьбы с паводками: отступление (на более высокие отметки), приспособление (проживание в условиях затопления с.-х. земель), защита. То в начале XXI века возможен только третий вариант, т. е. защита объектов экономики и с.-х. угодий от затопления.

Юг России в условиях роста антропогенных воздействий испытывает острый дефицит водных ресурсов, которые распределены в пределах Южного Федерального округа (ЮФО) крайне не равномерно. Если в целом по России в 2002 г. на хозяйственные нужды было забрано 72 км³ воды, то в бассейнах рек южного склона Европейской части водозабор составил 42 км3/год.

60%). Наиболее длинной рекой Северного Кавказа, имеющей наибольшую площадь бассейна является река Кубань (длина реки 970 км, площадь бассейна 57,9 тыс. км2, среднемноголетний сток 13,5 км3/год). Площадь бассейна р. Кубань, приходящаяся на Краснодарский края и Республику Адыгею составляет 43,67 тыс. км2 или более 75% от бассейна реки в целом. Здесь проживает более 3,0 млн. человек. Интенсивное освоение бассейна реки Кубани начато со второй половины XIX века. В настоящее время здесь отмечается наиболее высокая плотность населения (70 чел./км2).

Система обвалования Нижней Кубани является важнейшим элементом защиты от наводнений до 600 тыс. га, в том числе 400 тыс. га сельхозугодий, 87 населенных пунктов. В зоне риска наводнения проживает более 300 тыс. человек, а также предприятия нефтеперерабатывающей и химической промышленности, нефте и газопромыслы (более 450 скважин), машиностроительные предприятия, более 450 сельскохозяйственных производственных объектов, около 100 животноводческих объектов, склады ядохимикатов и минеральных удобрений. Необходимость обвалования выявилась в процессе хозяйственного освоения земель Нижней Кубани и связана с ограниченной пропускной способностью коренного русла (до 900. 1000 м3/с), в результате чего затопление отдельных участков поймы наблюдаются практически ежегодно, а реже чем 1 раз в 10 лет наблюдаются большие наводнения.

Борьба с наводнениями на Нижней Кубани путем обвалования локальных участков (от 10 до 40 верст) началась населением с 80-х годов XIX века.

До ввода в эксплуатацию Краснодарского водохранилища (1973 г., противопаводковая призма 0,65 км3) большой ущерб народному хозяйству принесли паводки на реке Кубань в 1931, 1932, 1954, 1963 и 1966 годах.

В построенной противопаводковой системе защиты пойменных и дельтовых земель во второй половине XX века входят Краснодарское, Шансут-ское, Крюковское, Варнавинское водохранилища с общей противопаводковой емкостью 1,18 км³ и системой обвалования рек Кубань и Протока общей протяженностью 948 км. Система обвалования рек Кубани и Протока позволяет пропускать паводковые расходы до 1200 м3/с и эксплуатируется более 50 лет.

После ввода в эксплуатацию Краснодарского водохранилища высокие паводки наблюдались в 1980, 1987, 1997 гг. Наводнения были в феврале 1993, январе 2002 г., июне 2002 г.

Противопаводковая система Низовья Кубани находится в настоящее время в неудовлетворительном состоянии, даже для паводков 10% обеспеченности. В системе обвалования Нижней Кубани 144,6 км находятся в критическом состоянии. Эксплуатационные организации не имеют технических средств быстро ликвидировать прорывы в системе дамб обвалования, а их только в январском паводке 2002 г. было 14, а после летнего (июньского, 2002 г.) — 29 в десяти районах Краснодарского края (Крымском, Славянском, Темрюкском, Калининском, Анапском, Северском, Абинском, Усть Лабин-ском, Новокубанском и Кавказском).

Работа автора выполнена в соответствии с федеральными целевыми программами «Юг России», «Экология и природные ресурсы России», «Повышение плодородия почв России», плана НИР Россельхозакадемии 20 012 005 гг. и комплексного плана мероприятий Минприроды России по повышению безопасности гидротехнических сооружений.

Цель и задачи исследований. Основной целью диссертационной работы является совершенствование инженерной защиты территорий от наводнений.

Достижение данной цели потребовало решения следующих задач:

— анализ противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока в Краснодарском крае;

— исследование новых типов композитных материалов, которые могут быть использованы для инженерной защиты от наводнений;

— исследование влияния негативных факторов на устойчивость, прочность и несущую способность дамб обвалования;

— разработка методик научного обоснования параметров гибких мно-гооборачиваемых быстровозводимых дамб из высокопрочных композитных материалов для расчетного, строительного и эксплуатационного случаев;

— обоснование эмпирических зависимостей для назначения базовых параметров гибких многооборачиваемых дамб;

— разработка мероприятий, направленных на повышение надежности противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока.

Методика и объект исследований. Методологической основой работы является системный подход к оценке противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока в Краснодарском крае. Методы исследований включали изучение, обобщение и анализ работ других авторов, проведение лабораторных и натурных экспериментов с помощью метрологически аттестованного оборудования и апробированных методик, статистическую обработку результатов эксперимента и проверку гипотез методами дисперсионного, регрессионного и корреляционного анализов, сопоставление результатов эксперимента с расчетными и натурными данными, а также результатами, полученными другими авторами.

Научную новизну работы составляют:

— результаты систематизации данных состояния противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока в Краснодарском крае;

— исследования по влиянию негативных факторов на устойчивость, прочность и несущую способность дамб обвалования;

— методики обоснования параметров гибких многооборачиваемых дамб из высокопрочных композитных материалов для расчетного, строительного и эксплуатационного случаев;

— эмпирические зависимости для назначения базовых параметров гибких дамб;

— мероприятия по повышению надежности противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока.

Практическое значение работы заключается в:

— обобщении экспериментальных и натурных данных по состоянию системы обвалованию Нижней Кубани;

— развитии методов расчета конструкций водного хозяйства из высокопрочных композитных материалов;

— разработке мероприятий по реконструкции системы обвалования на Нижней Кубани, направленных на повышение надежности и улучшению условий эксплуатации с минимальным влиянием на сложившиеся природные и хозяйственные условия этой территории;

— разработке методики расчета быстровозводимых гибких дамб, руководства по расчету, проектированию, монтажу и эксплуатации ограждающих дамб из композитных материалов, инструкции по усилению насыпей и дамб системы обвалования Нижней Кубани.

Личный вклад автора в решении проблемы заключается в анализе технического уровня противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока в Краснодарском края, в проведении экспериментальных и теоретических исследований гибких дамб, в анализе полученных результатов, в формировании выводов и рекомендаций, в обосновании инвестиций в реконструкцию противопаводковой системы Краснодарского края.

Достоверность результатов работы обоснована использованием общепринятых гипотез и допущений, вероятностно-статистическими методами полученных данных, сравнением полученных результатов эксперимента с натурными данными и результатами других авторов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на факультете водного хозяйства и мелиорации Кубанского ГАУ (1999;2003), инженерно-мелиоративного факультета НГМА (1999;2003), на региональных конференциях Южного Федерального округа, проводимых в Новочеркасске («Гидротехника. Гидравлика. Геоэкология»), Краснодаре, Ростове, Ставрополе (2000;2003).

Нормативно-методические разработки автора были рассмотрены и одобрены НТС Минсельхоза России, отделением мелиорации, водного и лесного хозяйства Россельхозакадемии, Кубанском бассейновом водном управлении, Комитете по земельным ресурсам и землеустройству по Краснодарскому краю, Главном управлении по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям Краснодарского края, НТС департамента сельского хозяйства Администрации Краснодарского края.

Практическая реализация работы. По результатам работы были разработаны заводские чертежи для изготовления гибких многооборачиваемых дамб из композитных материалов, изготовлен экспериментальный образец, разработаны и утверждены нормативно-методические документы для НТС Министерств различного уровня.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы из 157 наименований, в том числе 19 наименований зарубежных авторов. Работа изложена на 171 странице машинописного текста.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Техническое состояние системы обвалования рек Кубань и Протока характеризуется в настоящее время как неудовлетворительное.

Условия эксплуатации системы противопаводкового обвалования не обеспечивают безаварийного прохождения паводка в Низовьях Кубани даже при Р = 10%.

Для безопасной эксплуатации системы обвалования Нижней Кубани необходима ее реконструкция с обеспечением условий прочности, жесткости и устойчивости сооружений, в том числе с учетом изменения сейсмической активности зоны размещения объектов с 6 до 8. .9 баллов.

2. Грунты, слагающие дамбы обвалования, в основном являются глины, суглинки и супеси. Их физико-механические характеристики в основном отвечают проектным условиям прочности и устойчивости для территорий с расчетной сейсмичностью в 6 баллов. В результате длительной эксплуатации системы обвалования, особенно в верхних частях дамб (до 1,0−1,5 м), отмечается снижение длительной прочности грунтов и их плотности. Структура грунтов зачастую нарушена землероями и корнеходами. Основания дамб обвалования характеризуется неоднородностью по плотности сложения, повышенной сжимаемостью, большим содержанием перегнивающих растительных остатков, широко развиты слабые глинистые грунты (илы и иловатые глины с прослойками торфа) отличающиеся сравнительно низкими прочностными свойствами, что требует реализации мероприятий по усилению системы обвалования Нижней Кубани.

3. Разработана методика обоснования заводских параметров модулей гибких дамб, обоснованная на нормативных показателях физико-механических свойств композитных материалов, используемой заводской технологии изготовления, сроке эксплуатации и условиях работы сооружения.

4. На основании имитационного математического моделирования и экспериментальных исследований в натурных условиях установлены эмпирические зависимости профилеформирующих параметров гибких дамб для монтажного случая отвечающие условиям устойчивой работы сооружения на сдвиг и опрокидывание от внешних воздействий.

5. Разработана методика обоснования эксплуатационных параметров гибких дамб в зависимости от глубины воды перед ней, объема и давления воды в дамбе, раскройных параметров модуля. Методика позволяет численным методом установить профилеформирующие параметры гибкой дамбы, отвечающие устойчивой работе сооружения в диапазоне изменяющихся внешних и внутренних нагрузок.

6. Обоснована целесообразность инвестиций в реконструкцию противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока в Краснодарском крае, с использованием гибких быстровозводимых, многооборачивае-мых дамб. Реконструируемая противопаводковая система учитывает особенности сложившегося природно-техногенного ландшафта Нижней Кубани и оказывает минимальное воздействие на него.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ.

Анализ и обобщение данных содержащихся в нормативных, справочных и научных изданиях по инженерной защите территорий от наводнений и подтоплений, а также результаты собственных натурных, экспериментальных и теоретических исследований, а также обсуждения результатов выполненных НИР на НТС Министерств различных уровней позволяют сформулировать следующие предложения производству:

1. Для повышения надежности системы обвалования Нижней Кубани необходима ее реконструкция с выделением наиболее опасных участков при пропуске паводков различной обеспеченности. Для повышения прочности, жесткости и устойчивости дамб обвалования Нижней Кубани, сложенных как правило, из грунтов отличающихся сравнительно низкими прочностными свойствами рекомендуется их усилие с помощью геотекстильных материалов.

2. Для быстрого закрытия прорывов в системе обвалования Нижней Кубани целесообразно использовать гибкие быстровозводимые дамбы, которые рекомендуется изготавливать на заводах РТИ (Курском, Уфимском, Ярославском, Ивановском и др.) девяти типо размеров (ГД 2−10, ГД 2−20, ГД 2−30, ГД 2,5−10, ГД2,5−20, ГД 2,530, ГД 3−10, ГД 3−20, ГД 3−30) из ткани на основе капрона (ТК — 80). При внедрение на заводах РТИ перспективных технологий изготовления гибких дамб из новых типов высокопрочных тканей целесообразно изготовление четырех типов размеров гибких дамб — ГД 4−10, ГД 4−20, ГД 4−30, ГД 4−40.

3. Водохозяйственным организациям рекомендуется технологическая схема последовательности производства работ по ликвидации прорывов в системе обвалования с помощью гибких быстровозводимых дамб разработанная автором.

4. Эксплуатационным водохозяйственным организациям рекомендуются нормативные документы по обоснованию параметров гибких дамб для защиты сельхозугодий от затопления и подтопления для монтажного и эксплутацион-ных случаев, утвержденные научно-техническим советом Минсельхоза России (И марта 2003 г.).