Россия
Россия
Проводится анализ осуществления задачи устройства непрерывного водного пути из Европы в Азию. Ключевым участком выбран район, где верховье реки Исеть и ее притока реки Решетки максимально сближаются с рекой Чусовой. Рассматривается организация сквозных гидросооружений с целью увеличения гарантированных глубин на судоходной трассе. Характерной их особенностью является наличие уменьшенной, по сравнению с естественным состоянием, проточности в перекрываемой части русла. Снижение скоростей течения за сооружением создает условия для отложения наносов и обеспечивает сохранение благоприятной экологической ситуации в зоне регулирования речного потока. Актуальность изучения гидравлического режима в зоне взаимодействия проницаемых преград с потоком, разработка расчетного обоснования для их проектирования определяется рядом преимуществ сквозных сооружений по сравнению со сплошными. Зада-чами регулирования гидравлического режима потока проницаемыми конструкциями являются защита берегов от размыва, создание проточных изолированных акваторий, перекрытие несудоходных рукавов, обеспечение гарантированных глубин на судоходной трассе. В отличие от сооружений гравитационного типа, устойчивость которых определяется массой грунта, сквозные сооружения являются более легкими конструкциями; их прочность и устойчивость определяются не только массой элементов, но и особенностью инженерных решений отдельных узлов. Эффект работы сквозных сооружений определяется коэффициентом застройки, степенью стеснения потока, углом установки относительно берега, скоростями течений в межполузапрудных про-странствах, расстояниями между сооружениями и другими параметрами, которые рассчитываются по зависи-мостям, описывающим гидравлику потока. Расчет габаритов сквозных полузапруд и их плановой компоновки является наиболее важным вопросом, решаемым при проектировании.
сквозные гидротехнические сооружения, водный путь, непроницаемая полузапруда, сквозная полузапруда, транспортный маршрут, судоходный рукав
Введение
Транспорт в современном мире – это одна из ведущих отраслей любой экономической системы. Путь к повышению эффективности его работы часто пролегает в плоскости достижения ключевых показателей снижения транспортных расходов на транспортировку единицы грузовых или пассажирских перевозок. Стоимость перевозки грузов при использовании водного транспорта в 14,3 раза ниже, чем у автомобильного транспорта, и в 3,3 раза ниже, чем у железнодорожного транспорта. Дополнительным фактором, существенно влияющим на выбор водного транспорта в качестве одного из основных драйверов развития экономики Российской Федерации, является тот факт, что во многих регионах Севера, Сибири и Дальнего Востока автомобильная и железнодорожная сеть все еще недостаточно развита. А на отдельных обширных территориях дорожное строительство и вовсе невозможно в силу объективных причин природного характера. Решения, основанные на использовании авиации, также могут быть совершенно неприемлемы, например, для крупногабаритных грузов, т. к. стоимость авиаперевозок слишком высока, а требования к наземной инфраструктуре тяжелой транспортной авиации весьма существенны [1–3].
Реализация проекта о «сшивании регионов», определенного Президентом РФ, включающего развитие сети водных путей России, позволяет прогнозировать значительное расширение транспортных маршрутов, особенно в части, касающейся единой сквозной системы комбинированной логистики, обеспечивающей надежный транспортный доступ к отдаленным регионам России [4, 5]. В частности, такой прогноз может быть связан как с неизбежностью развития существующих технологий, а также перспективных видов транспорта, так и с вероятностью оценки и принятия решений, способных соединить Волго-Камский и Обь-Иртышский бассейны в единую транспортную систему за счет улучшения гидрологии на отдельных проблемных участках.
Существующие проблемы
Сегодня в России общая протяженность рек, пригодных для судоходства, составляет почти 100 тыс. км [6]. При этом реки Европейской части России связаны в Единую глубоководную систему, а крупные реки Сибири и Дальнего Востока пока не имеют единого сквозного глубоководного транспортного маршрута. Для транспортировки различных грузов в основном используются полноводные реки (это около 70 % от общей протяженности водных путей страны). Чтобы поддерживать их в надлежащем состоянии и обеспечивать безопасное судоходство, необходимо ежегодно проводить значительное количество путевых работ, таких как выправление и дноуглубление [1, 7].
Краткий литературный обзор
Выбор литературы по теме исследования обусловлен гипотезой о возможности применения сквозных гидротехнических сооружений на руслах уральских рек Чусовой и Исети с целью регулирования потока в связи с проектом создания непрерывного водного пути через Уральскую горную систему, препятствующую соединению Волго-Камского и Обь-Иртышского бассейнов (рис. 1).
Рис. 1. Соединение Волго-Камского с Обь-Иртышским бассейном по рекам Чусовой и Исети
Fig. 1. Connection of the Volga-Kama basin with the Ob-Irtysh basin along the Chusovaya and Iseti rivers
Река Исеть – горная широкопойменная река с разветвленным руслом и особой морфологией, т. е. имеет признаки типичной равнинной реки [8, 9]. Вся сложность включения данной реки с подобными характеристиками в тракт связана с большой скоростью течения и рисками локального размыва берегов при высокой устойчивости береговых массивов в целом, что затруднит хозяйственную деятельность на данном участке. Более надежным участком планируемого тракта является канал реки Чусовой со стабильным руслом, но большим количеством отломков скал, что также затрудняет судоходство и требует больших вложений при преднавигационной подготовке.
Выбранное направление единого судоходного пути способно существенно увеличить значение города Екатеринбурга, являющегося центром экономической и политической жизни края [1], обеспечив городу статус и возможности одного из главных логистических и деловых центров России, географически расположенного на стыке Европы и Азии.
Постановка и описание задачи
Устойчивый безопасный грузооборот и пассажиропоток по внутренним водным путям, в первую очередь для обеспечения доставки в регионы, включающие труднодоступные районы Сибири и Дальнего Востока, способен существенно увеличить объемы грузовых и пассажирских перевозок в интересах развития национальной экономики и освоения новых регионов страны. В настоящей работе, наряду с различными типами гидросооружений, предлагается использование сквозных конструкций для регулирования гидравлического режима потока, обеспечивающего защиту берегов от размыва, создание проточных акваторий, перекрытие несудоходных рукавов, обеспечение гарантированных глубин на судоходной трассе [9, 10].
Изложение методов решения
Основная задача сквозных сооружений – перераспределить поток воды на судоходную трассу для обеспечения транспортировки наносов и поддержания судоходных глубин. Сооружения представляют собой поперечные ограждения в виде рядов свай, насыпей из четырехгранного железобетона, рельсовых каркасов, сипаев, плавучих проницаемых конструкций и т. д. Отличительной особенностью является наличие пониженного потока в перекрываемой части русла по сравнению с естественным состоянием. Снижение скоростей стока за сооружением создает условия для отложения наносов, а также обеспечивает поддержание благоприятной экологической обстановки в зоне регулирования. Так, например, при перекрытии заходящих плесовых лощин для улучшения судоходных условий непроницаемыми полузапрудами возникают обширные области с нарушенным водообменом, интенсивность которого регламентируется санитарными и природоохранными инстанциями. Сквозные сооружения применяются на реках Кавказа, Средней Азии, в Западно-Сибирском и других бассейнах и за рубежом [11, 12].
Обсуждение основных результатов
Изучение опыта возведения сквозных сооружений в нашей стране и за рубежом свидетельствует о том, что основными достоинствами их являются:
– возможность строительства из сборных элементов, производимых на специализированных предприятиях;
– полная механизация строительно-монтажных работ;
– особым условием охраны природной среды является обеспечение сточными водами нижних бьефов запруд, расположенных в несудоходных рукавах;
– возможность более эффективного воздействия на течение, по сравнению с непроходимыми сооружениями, применяемыми при проведении выправительных работ;
– ремонт производится механическим способом с заменой отдельных элементов [13].
Пример сквозной полузапруды представлен на рис. 2. Полузапруда выполнена из свай, расположенных в шахматном порядке, забитых в три ряда, расстояние между которыми составляет 2 м, расстояние между сваями принято 0,8 м.
Рис. 2. Пример конструкции сквозной полузапруды: 1 – сваи; 2 – голова полузапруды
Fig. 2. An example of a through-hole half-dam design: 1 – piles; 2 – the head of the half-dam
Головы свай укреплены тремя сваями. Конструктивные параметры сооружений (длина, ширина, количество рядов, диаметр свай, угол расположения свай по отношению к направлению течения и др.) определяются гидравлическими расчетами.
Исходя из проведенного анализа картографических источников и данных, полученных в ходе научной экспедиции в сентябре – начале октября 2024 г., в результате геодезических и гидрологических измерений, включающих практические промеры глубин, построены графические сечения профиля дна русел Исети и Чусовой (рис. 3).
Анализ рельефов дна с учетом особенностей скального грунта позволяет сделать вывод о том, что форма сечения стабильна, река Чусовая отличается треугольными очертаниями, а Исеть характеризуется округлой формой русла. Годовой расход воды в Чусовой примерно втрое больше, чем у Исети, и составляет 222 и 73 м3/с соответственно. Принимая во внимание, что показатели питания анализируемых рек эквивалентны: Чусовая имеет значение 80,4 км2 на каждый километр длины, Исеть – 97,2 км2 на километр длины, перепады высот между истоками и устьями и, соответственно, скорости течения существенно разнятся. Так, Чусовая характеризуется перепадом 290,5 м (0,49 м/км) и скоростями 2,2 м/с в верховье и 0,8 м/с на равнинном участке. Исеть имеет 199,2 м перепада (0,33 м/км) и скорости 0,5 и 0,2 м/с соответственно.
а б
в
Рис. 3. Схемы рельефа дна: а – река Чусовая (район города Пальники); б – река Чусовая (район – Конец гор);
в – река Исеть (район устья в Исетское водохранилище)
Fig. 3. Bottom relief schemes: a – the Chusovaya River (near the city of Palniki);
б – the Chusovaya River (near the End of the Mountains); в – the Iset River (near the mouth of the Iset reservoir)
Помимо этого, стоит отметить высокую степень извилистости русла Исети в равнинной ее части, при этом некоторые участки имеют склонность к меандрированию. Также наличие на протяжении обеих рек зон с особым режимом использования не позволяет проводить сложные масштабные гидротехнические проекты по затапливанию, дамбированию, искусственному спрямлению русел. Например, на реке Исеть располагаются как археологические памятники стоянок древних людей, жертвенников, первобытных мастерских, так и природоохранные территории регионального значения – скала Каменные ворота и базальтовые скалы с мраморным карьером. В среднем течении Чусовой расположен природный парк, включающий 148 км акватории [14].
На основании вышеизложенного мы считаем, что применение сквозных гидротехнических сооружений (рис. 4) позволит произвести регулирование водного потока без сильного вмешательства как в гидрологическую, так и в экологическую ситуацию региона.
а б
Рис. 4. Примеры выправления затруднительных участков рек: а – выправление перекатного участка:
1, 2 – полузапруды, отсекающие затонную часть; 3, 4 – полузапруды на нижней косе;
5, 6 – полузапруды на верхней косе; 7 – прорезь; б – улучшение судоходных условий разветвленного участка:
1 – запруда; 2 – берегоукрепительное сооружение
Fig. 4. Examples of straightening difficult sections of rivers: а – straightening of the rolling section:
1, 2 – semi-dams cutting off the bottom part; 3, 4 – semi-dams on the lower spit; 5, 6 – semi-dams on the upper spit;
7 – a slit; б – improvement of navigable conditions of the branched section: 1 – dam; 2 – shore protection structure
Заключение
Улучшение судоходного состояния разветвленного участка реки можно получить перекрытием запрудой несудоходного рукава и сосредоточением расхода воды в судоходном рукаве. Таким образом, создание системы сквозных гидросооружений на анализируемом тракте позволит с минимальными затратами сил и средств обеспечить качество судоходного тракта.
1. Дегтянников В. Н. Расчет русловых деформаций р. Вятка в районе г. Киров // Вопросы гидрологии, геоэкологии и охраны водных объектов: материалы Межрегион. науч.-практ. конф. студентов, магистрантов и аспирантов (Пермь, 13–14 октября 2016 г.). Пермь: Изд-во ПГНИУ, 2016. С. 23.
2. Жирнова Е. А. Расчетное обоснование сквозных свайных выправительных сооружений на судоходных реках: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб., 2000. 25 с.
3. Шамова В. В. Особенности использования сквозных сооружений для улучшения судоходных условий // Тез. докл. Науч.-техн. конф. профессор.-преподават. состава и инженер.-техн. работников реч. трансп. и др. отраслей (Но-восибирск, 14 мая 2001 г.). Новосибирск: Изд-во НГАВТ, 2001. С. 12.
4. Стратегия развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года (утв. распоряжением Правительства РФ от 29.02.2016 № 327-р). URL: https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/71240936/?ysclid=m9wkakha3h78536340 (дата обращения: 15.09.2024).
5. Транспортная стратегия Российской Федерации до 2030 года с прогнозом на период до 2035 года (утв. рас-поряжением Правительства РФ от 27.11.2021 № 3363-р. URL: https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/403056321/?ysclid=m9wkevqynp403730043 (дата обращения: 15.09.2024).
6. Водный кодекс Российской Федерации от 03.06.2006 № 74-ФЗ (ред. от 08.08.2024). URL: https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=1&documentId=489368&ysclid=m9wi7c7va5124893119 (дата обращения: 15.09.2024).
7. Чалов Р. С. Управление русловыми процессами как основа совершенствования водных путей // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. 2017. № 3. С. 3–10.
8. Климов И. П. Развитие транспорта на Урале: автореф. дис. … д-ра ист. наук. Тюмень, 2006. 49 с.
9. Липатов И. В. Гидродинамика речных потоков и ее влияние на эксплуатационные параметры судоходных гидротехнических сооружений: методология исследований. Н. Новгород: Изд-во ВГАВТ, 2006. 97 с.
10. Петровская О. А. Оптимизация методов расчета расхода донных наносов с учетом гидравлических параметров рек: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб., 2018. 26 с.
11. Сазонов А. А., Дмитриева К. О. Результаты исследования выбора эффективного варианта конфигурации полу-запруды // Вестн. Волж. гос. акад. вод. трансп. 2015. Вып. 44. С. 77–83.
12. Хованский А. Д., Латун В. В., Хорошев О. А., Денисов В. И. Оценка воздействия на окружающую среду углубления и расширения судоходных каналов в дельтах рек // Изв. вузов. Северо-Кавказ. регион. 2018. № 1. С. 104.
13. Пат. RU2076168C1, МПК E02B3/12. Полузапруда и способ ее строительства / Курбанов С. О., Тутаев А. А., Казанчев А. А.; заявл. 11.01.1993; опубл. 27.03.1997.
14. Об утверждении Правил охраны поверхностных водных объектов: Постановление Правительства РФ от 10.09.2020 № 1391. URL: https://base.garant.ru/74626856/?ysclid=m9wjvgvi6t871636196 (дата обращения: 15.09.2024).
