Борьба с затоплением территории поверхностными водами. Причины затопления. Защитные мероприятия и сооружения. Принципы обвалования тер

18. Борьба с  затоплением территории поверхностными  водами. Причины затопления. Защитные  мероприятия и сооружения. Принципы  обвалования территории и искусственного  повышения отметок поверхности.  Регулирование стока рек и  укрепления берегов.

 Основные причины  затопления территорий. Половодья  и паводки 
Затопление – образование свободной поверхности воды на участке территории в результате повышения уровня водотока, водоема или подземных вод. Для защиты от затопления используют методы, каждый из которых включает комплекс инженерных мероприятий. Состав и характер этих мероприятий определяют с учетом анализа причин затопления, его масштабов и последствий, связанных с ним. 
Характерной чертой береговых территорий являются оползни, овраги, размытые берега и подмыв береговых склонов. 
Временные и постоянные затопления 
В зависимости от причин возникновения и продолжительности воздействия на городскую территорию различают временные постоянные затопления. Временное повышение уровня воды может быть вызвано:

1. Весенним половодьем;
2. Дождевыми паводками;
3. Интенсивным таянием снега и ледников в горах;
4. В следствии сильных волновых явлений в крупных озерах, водохранилищах и морских заливах, где часто возникают длинные волны, а на побережьях океанов и морей – периодические приливы; 
   В результате ветрового нагона воды с моря и подпора уровня рек на территориях, расположенных в устьях рек, впадающих в моря;

В результате нагромождения  в русле большого количества льда у естественного или искусственного препятствий или заторов от скопления  в русле шуги; 
В результате отложения в реке наносов в русле при больших расходах твердого стока реки; 
В результате образования русловых наледей на водотоках в районах вечной мерзлоты в период снеготаяния.

Постоянное повышение  уровня воды:

Связано со строительством ГЭС, водохранилищ.

3. Периодичность затопления территорий и понятие обеспеченности 
Периодическое затопление территории один раз в определенное число лет характеризуется т. н. обеспеченность в %. 
В соответствии с правилами и нормами планировки и застройки городов территории, затопляемые чаще одного раза в 25 лет, т. е. при обеспеченности 4%, с наивысшим уровнем затопления поймы более 0,6 м относятся к неблагоприятным территориям, нуждающимся в защите от затопления.  
 
 
При проектировании можно принять: 
Для районов застройки жилыми домами и общественными зданиями повторяемость принимают один раз в 100 лет (1% обеспеченности); 
Для парков и плоскостных сооружений – один раз в 10 лет (10% обеспеченности); 
Если на защищаемой территории проектируют предприятия крупного народно-хозяйственного значения, то за расчетный горизонт принимают отметку уровня 1% обеспеченности;

Для остальных промпредприятий  – 2%, кроме производств с коротким сроком эксплуатации (менее 10 лет), для которых расчетным будет уровень 10% обеспеченности.

 
Методы защиты территории от затопления и их проектирование 
Защиту территорий от затопления обычно предусматривают в сочетании с другими общими и специальными мероприятиями инженерной подготовки. Известно четыре метода защиты (табл. 6.1).  
 
Первый — это устройство дамбы обвалования, которые трассируют вдоль водоема, отделяя от него защищаемую территорию (рис. 27,б).  
Второй метод — подсыпка затопляемой площади до отметки, превышающей расчетный уровень высоких вод в реке (схема в). 
Третий метод заключается в повышении пропускной способности источника затопления. Это дает возможность транспортировать максимальные расходы при менее высоких уровнях. Реку углубляют и спрямляют, а при необходимости расчищают русло, увеличивая поперечное сечение потока (схема г).

Четвертый метод основан на регулировании стока воды. Расходы главного русла реки уменьшают, устраивая разгрузочные каналы, создавая резервные водохранилища или объединяя те и другие (схемы д, е). 
 

Рис. 27. Схема затопления городских территорий и их защиты: 
1 — защищаемая территория; 2 — разгрузочный капал; 3 — водохранилище; ГМВ — горизонт меженных вод; ГВВ — то же, высоких

Параметры водооградительных сооружений в значительной степени зависят от их высоты. Ее назначают из условий некоторого превышения гребня дамбы или бровки подсыпки над расчетным ГВВ (рис. 28.). Это превышение состоит из нескольких величин, определяемых капитальностью сооружений и особенностями ветрового режима акватории. 
В зависимости от класса капитальности сооружения назначают величину запаса а, характеризующего возвышение верха сооружения над горизонтом высоких вод. Как правило, капитальность водооградительных дамб относят к III классу, поэтому величину запаса принимают не менее 0,7 м. Возвышение отметки бровки насыпи при подсыпке территории принимают не менее 0,5 м. На крупных водоемах учитывают кроме запаса ? величину ветрового нагона ∆h и высоту всплеска волны hB или ее наката на откос hн . 
Отметку верха водооградительных сооружений Нс определяют по двум формулам. При вертикальном берегоукреплении: 
 
Нс = Нгвв + ? + ∆h + hB, 
 
где принятое обозначение величин см. на рис. 28, б. Подъем горизонта под влиянием ветрового нагона определяют по данным местных наблюдений, высоту волны и ее наката — по нормативным документам. 
Если берегоукрепление откосное, то: 
Нс = Нгвв + ? + ∆h + hн, 
где обозначения см. на рис. 28, а. 
 
В тех случаях, когда водооградительные сооружения трассируют вдоль берега, сжимая русловой поток, в формулы необходимо добавить запас на возможное превышение ГВВ, вызванное уменьшением поперечного сечения реки.

Рис. 28. Поперечные профили  обделки берегов сооружений защиты от затопления (на схемах а и б обозначены величины, слагающие запас высоты сооружений) 
Берегозащитные сооружения, предотвращающие подмыв берегов и деформацию русла рек, проектируют на основе генеральной схемы берегоукрепления, где учтены перспективы развития населенных мест. На территориях, непосредственно используемых для градостроительных нужд, предусматривают дополнительно меры активной защиты, включающие расширение существующих и создание искусственных пляжей в комплексе с сооружениями, их удерживающими. 
Формы и конструкции берегоукрепления многообразны. Они зависят от назначения проектируемой территории, высоты водоограднтельного сооружения, гидрогеологических и климатических условий района строительства, определяющих нагрузки, и воздействия на конструкцию. Принципиальные схемы поперечных профилей берегоукрепления. отражающие возможное многообразие существующих вариантов, показаны на рис. 28.

Откосный и вертикальный профили обделки берега (схемы  а и б) являются наиболее распространенными  в городских набережных. 
Откосно-вертикальная схема а набережной находит применение при относительно больших глубинах в прибрежной полосе и в условиях сгона-нагона воды на устьевых участках рек (рис. 28, в). Однако по архитектурным соображениям набережные этого типа могут быть возведены и на мелководье, но тогда высоту вертикальной части набережной делают не более 2-3 м. На реках с высокими паводками и крутыми возвышенными берегами находят широкое применение набережные, выполненные по схеме г с горизонтальной площадкой или без нее. 
На берегах морей, рек, каналов при амплитуде приливно-отливных и сезонных колебаний до 5-6 м берегоукрепление проектируют по схеме д в виде криволинейного силуэта. Если прибрежные территории подвержены воздействию прибойных и разбивающихся волн, то верхнюю часть криволинейной зоны целесообразно выполнять с обратным уклоном, проектируя поперечный профиль по схеме е. Это позволяет исключить выплескивание воды на берег при отсутствии ветра.

Обвалование территорий 
Оградительные дамбы размещают вдоль границ защищаемой территории, поэтому их положение определяется рельефом местности и конфигурацией площади, осваиваемой для городских нужд. Трассу дамбы прокладывают в зависимости от местных условий, диктующих принципиальные схемы ее размещения (рис.29). 
Дамбу можно расположить вдоль водоема с некоторым отступом от бровки откоса (схема а) без поперечных ответвлений или с ними (схема б), если требуется исключить затопление территории с флангов. 
Поперечные ответвления трассируют до примыкания к существующим отметкам склона, равным отметкам гребня дамбы. В процессе проектирования обычно рассматривают два варианта расположения продольных дамб: первый с полной защитой всей территории и второй — с частичной, при которой защищают лишь участок, необходимый для размещения первой очереди строительства. 
При поэтапном освоении поймы реки положение трассы дамб обвалования определяют по границам защищаемой территории на соответствующем этапе освоения. 
Секционное обвалование (схема в) проектируют, когда на защищаемой территории имеются боковые притоки с водосборными бассейнами, значительно превышающими площадь защищаемой территории. С градостроительной точки зрения эта схема имеет недостатки по сравнению с предыдущими, так как нарушает целостность композиционного решения города и осложняет планировочную ситуацию, перегораживая дамбами его территорию. Вместе с тем, такое решение позволяет в период паводков и половодий сбросить расходы боковых водоемов в основной и предусмотреть перекачку поверхностных вод только с ограниченных дамбами площадей.  
При небольших расходах бокового водотока трассирование можно выполнить по схеме г с размещением дамбы вдоль береговой линии и устройством бассейна, аккумулирующего собираемую с поверхности защищаемой территории воду. Определенные преимущества имеет схема д, где предусмотрено устьевую часть водотока отводить за пределы дамбы и населенного пункта, а насосную станцию использовать только для перекачки ливневых и дренажных вод. Эту схему можно использовать и в случае несовпадения периодов максимальных расходов основной реки и боковых притоков. 
Кольцевое обвалование защищаемой территории (схема е) предусматривают чаще всего для небольших населенных пунктов или промышленных зон.  
Дамбы могут возводить как на одном берегу, устраивая одностороннее обвалование, так и на двух, обеспечивая двустороннее. Последние делают при размещении застройки с обеих сторон реки. Если по генеральному плану города не предполагается одновременно использовать под застройку всю площадь пойменной террасы, то трассу дамб обвалования обычно проектируют со значительным отступом от бровки берегового откоса. Преимуществом такого решения является возможность применения облегченных конструкций берегоукрепления по сравнению с конструкциями, проектируемыми для откосов дамб, расположенных по берегу и более полно сжимающих русловый поток. 

 
 
Рис. 29. Трассирование дамб обвалования: 
 
1 — граница затопления; 2 — защитная дамба; 3 — границы застраиваемой территории; 4 — насосная станция; 5 — «источник затопления»; б — аккумулирующий бассейн; 7 —плотина, 8 — отводящий канал 
Конструкция дамбы обвалования представляет собой земляную плотину, поперечное сечение которой имеет вид трапеции. В зависимости от условий работы и по конструктивным особенностям различают речные, водохранилищные и морские дамбы. Речные дамбы работают как напорные сооружения лишь непродолжительный период — несколько недель в году в период повышения уровней воды в реке. Водохранилищные и морские могут находиться под действием напора длительное время и подвергаться воздействию ветровых волн. 
 
Дамбы сооружают практически из любого местного минерального грунта, за исключением илистых и содержащих большое количество легко растворимых солей. Оптимальным является грунт, зерновой состав которого характеризуется наличием мелких глинистых частиц, заполняющих поры между крупно-зернистыми частицами, не нарушая при этом непосредственного соприкосновения частиц между собой. Такой грунт обладает большим углом внутреннего трения, малой водопроницаемостью и высоким сцеплением, обеспечивая устойчивость откосов сооружения. 
 
Наиболее просты для производства работ дамбы из однородных грунтов (рис. 30, а), в качестве которых используют суглинки или пески. При их возведении из песков и других водопроницаемых грунтов поперечный профиль делают более массивным или устраивают специальные экранизирующие противофильтрационные элементы (схемы б, в). Эти элементы усложняют производство работ, особенно если расположены в теле дамбы. Однако такое усложнение конструкции в ряде случаев, например на устьевых участках рек, объясняют не только особенностями работы сооружения, но и отсутствием поблизости грунтов требуемого гранулометрического состава. Дамбы могут быть возведены и из неоднородных грунтов, послойно формирующих тело сооружения (схема г). Параметры поперечного профиля дамбы — ширину по гребню и заложение откосов назначают из условия обеспечения устойчивости и надежности сооружения. Проектная ширина гребня b зависит от вида грунтов, тела дамбы и ее градостроительного использования, но должна быть не менее 3 м. Если она служит в качестве городской магистрали (рис. 30, б), то ширину гребня определяют требованиями, предъявляемыми к планировке транспортных путей. 
Однако во всех случаях обеспечивают возможность движения по гребню дамбы грузового транспорта, необходимого для эксплуатации сооружения. 
 
 
 
Рис. 30. Конструкции дамб: 
 
1— слабоводопроницаемые грунты; 2 — водопроницаемые; 3 — противофильтрационный глинистый экран; 4 — водонепроницаемый слой; 5 — жесткий экран-диафрагма; 6 — защитный песчаный слой; 7 — супесь; 8 - песок; 9 — гравий 
 
Заложение откосов дамбы зависит от условий их работы, грунтов сооружения и его высоты (табл. 6.4). Верховой откос, работающий в напорных условиях и подвергающийся воздействию акватории, проектируют более пологим по сравнению с низовым, который таких воздействий не испытывает (рис. 30, а—в). Низовой откос защищают от размыва дождевыми и талыми водами, а также от суффозии. 
 
 
 
Волновые нагрузки, фронтально действующие на дамбу, могут быть смягчены уполаживанием верхового откоса, запроектированного с коэффициентами m=15-30 и выполняющего волногасящую роль за счет распластанного профиля (схема в). Отрицательной стороной такого решения является возрастание объемов земляных работ, которое не всегда компенсируется упрощением конструкции одежды берегоукрепления напорного откоса. 
 
Пологие (распластанные) напорные откосы из несвязных грунтов успешно эксплуатируют с креплением травами специально подобранного состава. В этом случае проектируют очертание откоса в виде ломаной линии с переменными коэффициентами m на различных участках. Если высота дамб значительна (10 м и более), то на ее откосах устраивают горизонтальные площадки (бермы) шириной не менее 3 м.

Укрепление берегов. Особенности  проектирования защитных мероприятий  при реконструкции. Проблемы экологии при защите территорий от затопления 
 
1. Поперечные профили набережных и береговой полосы 
На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим, поскольку набережные являются одним из доминирующих элементов городской среды. 
Наиболее капитальным и обладающим высокими архитектурными свойствами является вертикальный тип в виде набережной стенки (рис. 6.11, а). Высокая стоимость такого типа берегоукрепления ограничивает его применение лишь условиями размещения в пределах плотной застройки и особой технической необходимости. Поэтому вертикальные стенки проектируют в центральных районах крупных городов и на особо ответственных участках реки. В остальных случаях устраивают откосные берегоукрепления, которые по сравнению с предыдущим типом отличаются простотой и невысокой стоимостью (рис. 6.11, б). 
Положение набережной — стенки или укрепленного откоса на прибрежной полосе — фиксировано линией регулирования реки. Для рек со свободным (естественным) режимом линия регулирования пересечение лицевой поверхности набережной или укрепленного откоса с ГМВ, а для зарегулирования водоемов — с ГВВ или нормальным подпорным уровнем. На малых реках в пределах городских территорий линии регулирования назначают с параллельными берегами и постоянной шириной водного зеркала, что продиктовано архитектурными и гидрологическими требованиями. 
 
 
Поперечный профиль береговой полосы проектируют по различным схемам в зависимости от ее градостроительного использования, рельефа местности и особенностей водоема. 
По архитектурным требованиям высоту набережной ограничивают 5-6 м, поэтому, когда по условиям береговой полосы или уровенного режима необходима более высокая стенка, переходят на двухъярусный поперечный профиль (рис. 6.11, в). Городские набережные ограждают парапетами, железобетонными или металлическими решетками. Высоту ограждений принимают в пределах 0,9-1 м. Поверхность набережных облицовывают из камней морозостойких и невыветривающихся пород, но иногда оставляют в бетоне, учитывая при этом требования эстетики берегоукрепления. 
2. Конструкции набережных 
Конструкции набережных — стенок можно разделить на два основных типа: гравитационные и свайные. Набережные первого типа проектируют в виде массивной подпорной стенки или уголковой, более легкой конструкции. По экономическим соображениям область их применения ограничена основаниями, сложенными из прочных пород, затрудняющих внедрение свай. 
Свайные набережные располагают на любых основаниях, кроме скальных, но чаще их используют в грунтах песчаных или глинистых. Описываемые конструкции состоят из тонких подпорных стенок (больверков) и свайных ростверков. Безанкерные больверки являются простейшим типом вертикального крепления берега. Свободная их высота (расстояние от дна водоема до верха стенки) обычно не превышает 3-4 м. При использовании в конструкции экранирующих и разгружающих устройств свободная высота стенки на благоприятных грунтах основания может быть повышена до 4,5-6 м. 
При такой высоте рационально использовать заанкерованные конструкции больверков, что объясняется возможностью появления деформации в безанкерные стенках, особенно при размещении рядом с ними транспортных путей.