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 [1], [2].
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 [3], [4].
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 [5].
Русловые деформации – это деформации микро-, мезо- и макроформ, возникающие под гидродинамическим действием текущей воды [6], [7].
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 [6], [7]. 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 [6], [7].
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 [6], [7].
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 [8], [9].
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
[LATEX_FORMULA]∆Н_i = H_{прi} - H_{послi}[/LATEX_FORMULA]
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.
Изменение глубины в межени
Изменение профилей дна
Деформации дна р. Лена по профилю г/п Табага с 9 по 24 сентября 2010 года
Деформации дна р. Лена по профилю г/п Табага с 24 сентября по 5 октября 2010 года
Деформации дна р. Лена по профилю г/п Табага с 5 по 12 октября 2010 года
Полученное значение оказалось на порядок выше критического числа (Reкр=3,5·105), что указывает на турбулентный характер течения, приводящий к деформации дна.Результаты обработки данных изменений профилей дна реки с 9 по 24 сентября 2010 года показывают, что деформации дна реки неравномерны по профилю и максимальные значения размыва достигают примерно от 0,2 до 1,52 м, а намыва – примерно от 0,25 до 1,35 м, при среднем расходе воды за этот промежуток времени равном 11312,5 м3/сек; ПН – постоянное начало (рис. 3).Деформации дна реки с 24 сентября по 5 октября 2010 года по сравнению с предыдущими данными становятся более локальными. Максимальный уровень размыва в районе 1250 м достигает ~2,80 м, а намыва на участке 1650 м – ~2,7 м, при этом средний расход воды за этот промежуток времени равен 8350,0 м3/сек (рис. 4).Деформации дна реки с 5 по 12 октября 2010 года имеют также неравномерный, но противоположный характер к деформации дна реки с 9 по 24 сентября 2010 года. Здесь наиболее преобладает деформация намыва. Максимальное значение размыва примерно равно 0,9 м, а максимальное значение намыва примерно 1,58 м. При этом средний расход воды за данный промежуток времени равен 7063,75 м3/сек (рис. 5).Средний расход воды с 9 сентября по 12 октября 2010 года постепенно уменьшается. С другой стороны, при среднем расходе воды, равном 11312,5 м3/сек, размыв дна реки преобладает по сравнению с размывом дна реки при расходе воды равном 7063,75 м3/сек. Здесь преобладает намыв дна реки. Данный процесс деформации дна, скорее всего, связан с различием скоростей движения потока при разных расходах воды. Известно, что чем больше расход воды, тем больше скорость движения потока.
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 [4], [10] 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 [4], [10].
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 [11].
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.