О ДЕФОРМАЦИИ ДНА РЕКИ ЛЕНА ПО ГИДРОПОСТУ С. ТАБАГА
О ДЕФОРМАЦИИ ДНА РЕКИ ЛЕНА ПО ГИДРОПОСТУ С. ТАБАГА
Аннотация
В транспортной системе страны подводные переходы магистральных трубопроводов занимают особое место. Большинство ППМТ возведены открытым способом с укладкой в подводную траншею (в единичных случаях – по дну). Прокладка переходов через водные преграды этим традиционным способом связана с разработкой значительных объемов грунта, зависит от природно-климатических условий и требует дополнительных материалов на балластировку трубы, что приводит к значительному удорожанию строительства. Защита ППМТ от воздействия негативных русловых процессов при их эксплуатации имеет огромное значение. Русловые деформации – это деформации микро-, мезо- и макроформ, возникающие под гидродинамическим действием текущей воды. Это приводит к возникновению напряжений в стенке трубы, возрастанию их уровня.
Высокие значения деформаций размыва и намыва дна реки Лена на профиле гидропоста Табага связаны с изменчивостью гидрологических и гидроморфологических русловых процессов, а также с переформированием микро- и мезоформ в русловой части реки.
В статье показана методика определения деформации дна реки по г/п с. Табага, позволяющая за определенный промежуток времени анализировать уровни размыва и намыва дна реки по одной линии данного створа и установить особенности их проявления.
1. Введение
Магистральные трубопроводы, проложенные на территории Республики Саха (Якутия), эксплуатируются в области распространения многолетнемерзлых грунтов. Экстремальные климатические и инженерно-геологические условия, характеризуются низкими температурами воздуха, высоким уровнем грунтовых вод, заболоченностью и заторфованностью грунтов, глубоким сезонным промерзанием на участках локальных поднятий и подтоплением территорий во время весеннего и осеннего паводков , .
В таких условиях эксплуатационная надежность трубопровода определяется преимущественно способностью его конструкции сопротивляться разрушающей динамике геологической среды, которая выражается в неблагоприятной последовательности гидрогеологических и геокриологических процессов, повторяющихся ежегодно.
Размыв русла реки под трубопроводом может привести к его просадке, а впоследствии – к отказу. При проектировании подводных переходов через реки необходимо оценивать величины деформаций речных русел , .
Взаимодействие подводного перехода с русловыми процессами учитывают при проектировании и эксплуатации. В норме подводный переход трубопровода не должен оголяться, но в реальных условиях трубопровод оказывается оголенным, что обусловлено нарушениями требований проекта, или ошибками прогноза деформаций русла .
Русловые деформации – это деформации микро-, мезо- и макроформ, возникающие под гидродинамическим действием текущей воды , .
Микроформы – это мелкие массовые песчаные гряды, обычно покрывающие все дно естественных потоков и каналов, не вызывающие собой общего морфологического строения русла и воспринимаемые как его шероховатость. Размеры микроформ соизмеримы с местной глубиной потока. Строение их тесно и взаимно связано с макротурбулентностью потока , . Микроформы достаточно подвижны и характеризуют сезонные русловые деформации дна рек. Мезоформы – это крупные грядообразные песчаные скопления, по своим размерам соизмеримые с шириной русла и определяющие его основное морфологическое строение. Подобно тому, как микроформы связаны с русловой макротурбулентностью, мезоформы взаимно связаны с общим строением скоростного поля потока, с его вторичными течениями, и их образование связано с неустановившимся характером речного потока , .
На следующем структурном уровне, на уровне макроформ, русловой процесс рассматривается в наиболее полном его выражении, охватывающем и русло, и пойму. Типом макроформы определяется русловой процесс реки в целом, ее морфологический тип. Примером макроформы может служить речная излучина с прилегающим пойменным массивом, образовавшимся в результате плановых перемещений меандрирующего русла , .
Определение деформаций русла в районе подводного трубопровода через р. Лена является одним из наиболее важных элементов гидравлических исследований. От деформаций русла зависят не только изменения характеристик потока, которые должны быть учтены в проектировании, но, и непосредственно, сохранность и надежность подводного трубопровода. Одним из серьезных гидрологических процессов по течению реки Лена является смещение массивов подвижных песков, значительно влияющих на характер ледохода и весенние паводки. В этом плане морфология русла р. Лена на участке Табага-Кангалассы очень динамична, так как русло р. Лены на этом участке относится к слабоустойчивому или неустойчивому типу. Ложе реки сложено песчаными грунтами, поэтому подвергается сильной деформации , .
Федеральным государственным бюджетным управлением «Якутское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» («ЯУГМС») для определения расхода воды определяется площадь поперечного сечения потока воды и его скорость. Следовательно, измеряется профиль дна и глубина русла реки. По полученным данным изменения профиля дна за определенный период времени можно определить деформацию дна реки. Профилирование дна реки Лена производилось в четырех местах (гидропостах), в том числе с. Табага. А также по имеющимся архивным данным определяют деформацию дна реки по одной и той же линии этих створов.
Оценка деформации дна и береговых откосов нами производилась по данным измерений профиля дна за предыдущее и за последующее время. При этом за первоначальное значение профиля дна принимается предыдущее значение (Нпр) профиля, а за конечное – последующее значение (Нпосл) профиля дна реки. Все данные профилей дна реки рассматриваются по балтийской системе (БС). При этом значение уровня деформации дна характеризует ∆Нi, получаемая из выражения
где: i – последовательное число измерений поверхности дна реки по данному профилю створа гидропоста.
В статье рассмотрены деформации дна р. Лена по профилю гидропоста (г/п) Табага за более короткий осенний промежуток времени в заторном 2010 году.
2. Материалы и методы исследования
За период с 9 сентября по 12 октября 2010 года ширина межени на г/п Табага уменьшилась на 64 м, особенно со стороны левого берега. Вследствие этого глубина межени по профилю дна реки местами также уменьшилась максимально в пределах от 1,75 до 3,75 м и, соответственно, за этот период расход воды снизился от 13000 (09.09.2010 г.) до 6675 (12.10.2010 г.) м3/сек, т.е. на 6325 м3/сек. Характеры изменений глубины межени (рис. 1) и профилей дна реки (рис. 2) на данном створе показывают, что со стороны правого берега реки в основном преобладают размыв дна, а со стороны левого берега – намыв. Такой процесс динамики деформации дна реки рассмотрим более подробно.
Для оценки характера течения оцениваем число Рейнольдса при минимальном расходе воды. С увеличением расхода число Рейнольдса также увеличится. Минимальный расход воды Q= 6675 м3/с был зарегистрирован 12.10.2010.
Из рис. 1 для даты 12.10.2010 вычисляем площадь поперечного сечения реки A=9847 м2 и смоченный периметр P=2101 м. Гидравлический диаметр D=A/P=4,69 м. Средняя скорость потока u=Q/A=0,68 м/c. Кинематическая вязкость воды при температуре 10о С v=1,3·10-6 м2/с. Число Рейнольдса Re=uD/v=2,4·106.
Рисунок 1 - Изменение глубины в межени
Рисунок 2 - Изменение профилей дна
Рисунок 3 - Деформации дна р. Лена по профилю г/п Табага с 9 по 24 сентября 2010 года
Рисунок 4 - Деформации дна р. Лена по профилю г/п Табага с 24 сентября по 5 октября 2010 года
Рисунок 5 - Деформации дна р. Лена по профилю г/п Табага с 5 по 12 октября 2010 года
Характерно также, что при достаточно больших значениях расхода воды интенсивное его уменьшение вызывает большую деформацию размыва дна, чем при более низких значениях расхода воды (рис. 3–5).
В соответствии с , высота микроформ (hr) при состоянии русла, близком к состоянию динамического равновесия, будет 1,37 м, а их длина составит 79,9 м, скорость смещения гряд-микроформ установившегося профиля Сr будет равна 26,6 м/сутки. Период движения этих гряд, т.е. колебаний отметок дна при перемещении гряд-микроформ длиной ~79,9 м в пределах их высота 0-1,37 м, составит 3 сутки.
В районе г/п Табага могут формироваться мезоформы высотой (∆м) ~7,02 м на поверхности этих мезоформ будут формироваться микроформы высотами ~0,67 м. А скорость перемещения мезоформ (С∆) при hr / ∆м равном 0,095, будет иметь значение ~1,7 м/сутки. Для средних руслоформирующих расходов воды ~С∆ ≅ 1,4 м/сутки период колебаний дна на участке г/п Табага с амплитудой ~5-7 м в результате смещения мезоформ составит для мезоформ длиной 0,5 км до 2 км соответственно 12 лет и 50 лет , .
3. Дискуссия
Таким образом, выше приведенные высокие значения деформаций размыва и намыва дна реки на профиле г/п Табага связаны с турбулентным характером течения, с изменчивостью гидрологических и гидроморфологических русловых процессов, а также с переформированием микро- и мезоформ в русловой части реки.
Исходя из данных предполагаем, что при средней длине мезоформ, равном ~ 1,25 км, от г/п с. Табага до ППМГ «Хатассы-Павловск» могут расположиться примерно до семи-восьми мезоформ, а на поверхностях этих мезоформ могут расположиться примерно до шестнадцати гряд-микроформ. Из сравнения скоростей смещения гряд-микроформ и мезоформ следует, что гряды высотой от 0-1,37 м могут смещаться с одной мезоформы в другую. Следовательно, при подпадании ППМГ во впадинах микро и мезофбрм возникает возможность оголения дюкера с определенной периодичностью и, соответственно, в такие периоды может резко снизиться надежность ППМГ «Хатассы-Павловск» через р. Лена. Но эти вопросы требуют расширенных мониторинговых исследований.
Нами были рассмотрены уклоны водной поверхности в заторном 2010 году на гидропостах Покровск, Табага, Якутск, Кангалассы, Намцы. При этом уклон водной поверхности был достаточно высок и динамичен, соответственно, скорость распространения волны водной поверхности достигала значительной величины. Например, максимальная скорость подъема уровня воды на г/п Намцы была равной 119 см/час, а спада ‒ 47 см/час. При таких ситуациях максимальная скорость течения при спаде может достичь 5,0-6,0 м/сек и более, как считают многие специалисты .
4. Заключение
Показана методика определения деформации дна реки по г/п с. Табага, позволяющая за определенный промежуток времени анализировать уровни размыва и намыва дна реки по одной линии данного створа и установить особенности их проявления.
Выше приведенные высокие значения деформаций размыва и намыва дна реки Лена на профиле г/п Табага связаны с турбулентным характером течения, изменчивостью гидрологических и гидроморфологических русловых процессов, а также с переформированием микро- и мезоформ в русловой части реки.
Установлена качественная связь уровня размыва и намыва донных наносов со средним расходом воды. Например, при среднем расходе воды, равном 8350,0 м3/сек, максимальный уровень размыва достигает ~2,8 м, намыва – ~2,7 м, а при среднем расходе воды, равном 7063,75 м3/сек, максимальный размыв достигает 0,9 м, а намыв – ~1,58 м.