6. Береговые укрепления на реках и их расчет

Назначение и виды береговых укреплений. Береговые укрепления возводят при коренном улучшении затруднительных участков в реках с различными типами руслового процесса. Они защищают берега рек от размыва течением, судовыми волнами, грунтовыми водами, а также от разрушения ледоходом. Береговые укрепления позволяют закрепить судовой ход у ведущего берега, ликвидировать источники поступления наносов в реку, предупредить повреждения гидротехнических сооружений у берегов, сохранить строения, земли и леса в прибрежной полосе реки.

Основная задача берегоукрепительных работ состоит в предотвращении размыва вогнутых берегов. Для этого проводится анализ русловых переформирований участка, чтобы установить протяжение подверженного размыву откоса берега, а также анализ гидрологических данных (высота уровня, скорость течения, количество наносов и др.), которые позволяют выбрать вид береговых укреплений и их конструкцию.

Различают береговые укрепления активного и пассивного действия. Первые заметно влияют на структуру потока в районе берега, а вторые – только защищают береговой откос от размыва.

Основными укреплениями, влияющими на структуру потока у берега, являются берегозащитные шпоры (короткие высокие полузапруды). Система таких шпор обычно располагается у вогнутого берега, способствуя уменьшению скоростей течения вдоль защищаемого берегового откоса, что приводит к уменьшению и даже к прекращению размыва берега, а в ряде случаев и к образованию нового берегового откоса после заполнения наносами промежутков между шпорами. Иногда шпоры возводят при строительстве полузапруд для обеспечения устойчивости противоположного легкоразмываемого прямолинейного или слабоизогнутого берега, чтобы обеспечить необходимый размыв дна в пределах судового хода.

Берегоукрепительные высокие шпоры особенно эффективны на малых и средних реках, где после непродолжительного высокого паводка с большими скоростями течения наблюдается длительная межень с малыми скоростями течения. На таких реках только в половодье наблюдается размыв берегов, который удается предотвратить такими шпорами.

Другим видом берегоукрепительных сооружений, влияющих на структуру потока, являются укрепления берега, создающие дополнительную шероховатость русла вблизи размываемого берега или непосредственно на его откосе. К таким укреплениям относятся: сквозные свайные ряды; свайные козловые кусты; гибкие металлические тюфяки из проволоки; искусственные водоросли и др. Основное назначение этих укреплений – уменьшение скоростей течения в районе берегового откоса созданием дополнительного сопротивления потоку.

Особенно хорошие результаты получаются при использовании таких укреплений на реках, где поток переносит большое количество наносов. В этом случае защита берега от размыва способствует отложению более крупных наносов в зоне расположения таких укреплений. В результате образуется устойчивый береговой откос, обеспечивающий благоприятные условия для судоходства.

Пассивными укреплениями, защищающими берега от размыва, являются береговые покрытия. Они закрепляют благоприятное для судоходства положение размываемого берега или защищают выправительные и другие сооружения от обхода потоком в местах их примыкания к берегу.

Береговые покрытия могут быть сплошными, закрепляющими береговой откос на всей длине его размыва, или ленточными, которые покрывают только отдельные по длине части берегового откоса (ленты), расположенные через определенные расстояния.

Сплошные береговые покрытия оказываются наиболее эффективными при улучшении судоходных условий на реках со сравнительно невысоким, но продолжительным паводком и значительными скоростями течения. На таких реках размыв берегов происходит в течение длительного периода времени, поэтому предотвратить его разрушение удается только сплошным покрытием берега.

Сплошное укрепление берегового откоса при высоких и непродолжительных паводках требует больших затрат и может быть оправдано преимущественно в тех случаях, когда оно необходимо для нескольких отраслей народного хозяйства.

Расчет берегозащитных шпор. При расчете берегозащитных шпор сначала определяют их длину, высоту и расстояние между ними, а затем проверяют устойчивость крепления голов грунтовых шпор при обтекании их потоком и при воздействии на них ледовых нагрузок.

Длина каждой шпоры определяется очертанием создаваемого берегового откоса, т.е. расстоянием между существующей линией (урезом) берега и границей выправительной трассы, и составляет обычно 20-50 м (рис. 10.39). Расшифровка буквенных обозначений дана выше, применительно к формулам (10.44-10.50).

Рис. 10.39. Берегозащитные шпоры:

а – план расположения сооружений; б – продольный разрез по оси сооружения

Берегозащитные шпоры существенно выше, чем полузапруды меженного действия. Отметки гребней их голов обычно принимают без особого расчета на 2.5-3.5 м над проектным уровнем. При этом гребню шпоры конструктивно придается продольный уклон от 1:10 до 1:25 с подъемом к берегу, к которому они примыкают. Часто отметка гребня их корня совпадает с меженной бровкой берега.

Речной откос головы шпоры обычно имеет заложение от 2.5 до 3.0, а заложения верхнего (напорного) откоса и нижнего (сливного) откоса зависят от технологии возведения и крупности грунта, из которого отсыпается тело сооружения. При намыве землесосом шпор из песка в поток со скоростью течения от 0.5 до 1.5 м/с заложение верхнего откоса составляет примерно 3-5, а нижнего 5-15.

При отсыпке тела сооружения с помощью одночерпаковых или многочерпаковых снарядов или пионерным способом с помощью бульдозеров, заложения откосов получаются существенно меньше. Приближенно можно принимать заложение верхнего откоса равным т_в=т₀+0.5, а нижнего – m_н =m₀+1.0, где т₀ – заложение откоса из того же материала в спокойной (без течения) воде.

Расстояние между шпорами, расположенными на прямолинейном или слабокриволинейном участке русла (см. рис. 10.39, а), назначают равным критическому расстоянию, вычисляемому по выражению

, (10.44)

где:  – коэффициент, показывающий, во сколько раз расстояние S_кр от головы сооружения до точки пересечения кривой растекания потока с границей выправительной трассы больше длины шпоры l_ш.

Коэффициент  зависит от сопротивления русла движению потока, определяемого гидравлическим коэффициентом сопротивления

, (10.45)

где: С – коэффициент Шези;

В – бытовая ширина русла;

h_с – средняя глубина в поперечном сечении.

Численное значение коэффициента  определяется по номограмме (рис. 10.40), на которой h_ш – средняя высота шпоры. Штриховая линия показывает последовательность при пользовании номограммой.

Рис. 10.40. График зависимости коэффициента

=f(B, ,h_ш /h)

При проектировании шпор на криволинейном участке вогнутого берега критическое расстояние находится по следующему выражению

. (10.46)

Параметры  и  определяются по следующим формулам:

, (10.47)

, (10.48)

где: r₀ – осредненный радиус кривизны вогнутого берега (выправительной трассы).

Проверка устойчивости крепления шпоры из каменной наброски сводится к определению диаметра камней, которые будут находиться в состоянии равновесия под действием течения в районе головы шпоры. Такой расчет можно сделать по формуле В.В. Баланина

, (10.49)

где: _г – скорость течения около головы шпоры;

 – угол наклона речного откоса головы шпоры;

_к и  – плотность, соответственно, камня и воды.

При этом скорость у головы шпоры определяют по формуле В.В. Дегтярева

, (10.50)

где: _б – скорость течения в районе головы шпоры в бытовом состоянии при уровне, совпадающем с отметкой гребня головы шпоры;

_ш – площадь поперечного сечения, занимаемая телом шпоры;

 – полная площадь поперечного сечения в створе сооружения при отметке уровня воды вровень с гребнем головы шпоры.

При возведении шпор из грунта и других мелкообломочных материалов сооружения получаются достаточно массивными. Поэтому во время кратковременного ледохода возможны только местные повреждения верхового откоса в виде отдельных выпоров грунта выше места удара плывущей льдины. Чтобы обеспечить длительную работу, головная (верхняя по течению) шпора, воспринимающая основную нагрузку от ледового воздействия, делается более массивного профиля с укреплением верхового и низового откосов, а также гребня и головы сооружения.

Расчет береговых покрытий. При расчете берегового покрытия в первую очередь находят его длину и ширину и определяют крупность камня или толщину железобетонных плит, либо асфальтового тюфяка. Кроме этого, проверяется устойчивость укреплений на воздействие волн и ледовых нагрузок.

Для выбора укрепления размываемого берегового откоса, прежде всего, проверяют его на устойчивость от воздействия скоростей течения. Для определения скоростей течения в струе у берега строят натурные или теоретические планы течения на улучшаемом участке реки при расчетных уровнях воды: средневысокий уровень паводка и среднемеженный уровень воды. Если средневысокий уровень паводка выше отметок поймы, то за расчетный принимается уровень воды вровень с отметками пойменных или меженных бровок берега, так как в это время наблюдаются наибольшие скорости течения в меженном русле.

Полученные в результате построения планов течения значения скоростей течения в струе, примыкающей к береговому откосу, позволяют обоснованно выбрать такой тип укрепления берега, при котором будет обеспечена надежная защита берегового откоса от размыва потоком. При этом допускаемая скорость течения для выбранного укрепления должна быть больше максимальной расчетной скорости потока с некоторым запасом.

Таблицы значений допускаемых скоростей для различных типов укрепления берегов приведены в соответствующих технических условиях, ведомственных нормах и правилах проектирования береговых укреплений, например, в Руководстве по улучшению судоходных условий на свободных реках [ ].

Длина укрепления берегового откоса устанавливается на основе анализа совмещенных планов участка реки и планов течения при характерных уровнях воды за несколько лет. При этом начало и конец укрепления выбираются с запасом в 15-20 м по сравнению с началом и концом зоны размыва берега.

Для определения ширины берегового укрепления откос разбивается на четыре зоны: I – зону подводного откоса (ниже низких меженных уровней); II – зону переменных уровней (во время весеннего и летне-осеннего паводков); III – зону наката волн и нагонных явлений; IV – зону надводного откоса (см. рис. 10.41).

Ширина крепления в каждой зоне равна

, (10.51)

где: Н_i – высота зоны;

m_i – заложение (пологость откоса берега в зоне).

Высоту первой зоны Н₁ которая является запасом в креплении надводного откоса над высотой наката волн на берег с учетом высоты ветрового нагона воды у берега, принимают согласно строительным нормам и правилам, как для сооружений III-IV класса, соответственно, не менее 0.5-0.3 м при вероятности превышения наибольшего уровня воды соответственно 3-10%.

Высота второй зоны Н₂ равняется сумме высот наката h_н волны на откос и ветрового нагона воды h

. (10.52)

Рис. 10.41. Схема к расчету берегового укрепления (покрытия):

1 – первоначальное положения подводной части покрытия; 2 – береговое покрытие;

3 – укрепление горизонтального участка низкого (затопляемого) берега

При этом высоту наката волны вычисляют по формуле

, (10.53)

где: К_ш – коэффициент шероховатости и проницаемости откоса или крепления;

h_ш и _в – соответственно высота ветровой или судовой волны и длина волны;

т – заложение откоса берега.

Высота ветрового нагона воды у берега

, (10.54)

где: K – коэффициент пропорциональности;

_в – расчетная скорость ветра на высоте 10 м от поверхности воды;

D – длина разгона волны;

h_c – средняя глубина водоема вдоль линии разгона;

 – угол между нормалью к линии берега и направлением ветра.

Расчет на высоту наката ветровой волны и нагон воды выполняют только при укреплении берегов на устьевых участках больших рек, а на судовую волну – только на небольших реках и в узких судоходных рукавах разветвлений русла, а также на участках, где судовой ход проложен вблизи берега.

Высоту третьей зоны Н₃ определяют по данным многолетних наблюдений за уровнями воды по опорному гидрологическому посту как разность среднего из наибольших уровней весеннего паводка и низкого меженного уровня. Если средний из наибольших уровней паводка выше пойменного берега, то высоту третьей зоны находят как разность отметок поймы и низкого меженного уровня.

Кроме того, при такой низкой пойме величины H₂ и b₂ равны нулю, а ширина крепления b₁ заходит за бровку пойменного берега и принимается равной примерно 3-5 м.

Высота четвертой зоны H₄ равна сумме бытовой глубины h_б у подошвы откоса при низком меженном уровне воды и глубины возможного местного размыва h_p неукрепленного дна в том же месте после выполнения берегоукрепительных работ:

. (10.55)

Глубину местного размыва неукрепленного дна непосредственно около конца подводного крепления можно приближенно определить по формуле И.А. Ярославцева

, (10.56)

где: _c – средняя скорость течения в струе у берега;

m = ctg – заложение подводной части откоса берега;

 – угол между направлением течения при расчетном паводке и направлением берегового откоса (принимают не менее 30°);

d – диаметр частиц грунта на дне, который по кривой гранулометрического состава принимают соответствующим 85% обеспеченности (при d<1 мм последний член в этой формуле можно не учитывать).

Таким образом, полная ширина крепления берегового откоса

. (10.57)

При отсутствии необходимых данных для выполнения расчетов глубины местного размыва дна у низа крепления, ширина крепления у интенсивно размываемых крутых берегов доводится до линии наибольших глубин. Если подводный откос в нижней части заметно уполаживается, то крепление дна доводится до подошвы откоса с запасом 10-15 м.

Заложения откосов для надводного откоса при всех конструкциях укрепления, кроме биологических и каменной наброски, не должны быть круче 1:2 во избежание оползания укрепления откосов.

При наличии волнового воздействия на береговое укрепление масса камня, который будет находиться на откосе в состоянии предельного равновесия, определяется по формуле

, (10.58)

где: _к и  – соответственно плотность камня и воды;

h_в и _в – соответственно высота и длина волны;

т – заложение откоса каменной наброски.

Зная массу камня, который будет устойчив на откосе при воздействии волны, расчетная крупность (диаметр)

. (10.59)

Толщина крепления из наброски сортированного камня должна быть не менее t_к2.5d_к, а при использовании несортированного камня t_к3d_к.

Расчет крепления берега из железобетонных плит сводится к нахождению их толщины по формуле

, (10.60)

где: _в – значение волнового противодавления;

_пл и  – соответственно, плотность плиты и воды;

 – угол наклона защищаемого откоса берега к горизонту.

При использовании в качестве берегового укрепления гибких железобетонных покрытий их толщину определяют по формуле И.Я. Ярославцева

(10.61)

где:  и K – коэффициенты, учитывающие соответственно сплошность покрытия и усилия от пульсационной нагрузки при волновом воздействии;

_c – средняя скорость течения в районе берега.

Значения коэффициентов  и K приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Покрытие	Коэффициент 	Коэффициент K при
		плавном обтекании сооружения	плохом обтекании сооружения
Сплошное	0.35	1.7	2.1
Сквозное	0.16	2.7	3.7