Подводные переходы и русловые процессы. Теория и практика

из сборника докладов семинара "Инновационные технологии в современной инженерной гидрологии", проведенного АНО "Изыскатель" в пансионате "Пахра", 2007 год.

А.Н. Кондратьев

Любая теория ценна тем, как она отвечает запросам практики. Для трубопроводного транспорта больным местом являются подводные переходы. Русла рек значительно изменяют своё плановое и высотное положение.

Например, на р. Иртыш размыв вогнутого берега может составлять 15 или даже 30 м/год. За период эксплуатации порядка 30-50 лет река может сместиться на расстояние равное ширине русла, или может появиться новая протока.

Изменения русел приводят к аварийным ситуациям на подводных переходах.

Разрыв газопровода выше Астрахани в результате подмыва правого берега привёл к гигантскому взрыву и пожару на середине Волги, караваны судов выше и ниже этого места несколько дней ждали окончания пожара. Разрывы труб приводят к загрязнению рек нефтью, как это случилось, например, зимой 1996 года на реке Белая. Прямой и косвенный ущерб от воздействия русловых процессов в Российской Федерации составляет ежегодно 5 миллиардов долларов.

Важно помнить, что в некоторых случаях невозможно спасти аварийный объект. Нефтяники иногда просят придумать “научный” способ, чтобы изменить направление смещения Оби, которая имеет ширину 1-2 километра. Но чудо может не произойти.

Поэтому важно заранее учитывать русловые деформации при разработке проекта укладки трубопровода. Основной вопрос, на который отвечает русловедение, это прогноз деформаций русла на заданный период. Особенно важно верно выбрать створ перехода и определить прогнозный профиль деформаций русла на период эксплуатации трубопровода. Учитывая, что затраты на изыскания составляют обычно несколько процентов от расходов на строительство, а ошибки в исходных данных могут слишком дорого обойтись, опасно экономить на изысканиях.

В настоящее время существуют несколько нормативных документов, посвящённых прогнозу русловых деформаций. Практически все нормативы имеют одно основание: разработки гидролого-морфологической школы Государственного гидрологического института (ГГИ). Норматив, относящийся к подводным переходам, – ВСН 163-83 [1].

Основой ВСН является типизация ГГИ, в которой выделены семь типов русловых процессов. Для каждого из этих семи типов даны рекомендации по прогнозам смещения береговой линии, вертикальным деформациям и построению прогнозного поперечного профиля.

Недостатком этого норматива, как и всего подхода ГГИ, является ограниченность в рамках семи выбранных типов. В нём не описаны другие типы русловых процессов; не учтены деформации при нарушении баланса между руслоформирующими факторами; не учтены другие руслоформирующие факторы; многие формулы не выдерживают критики.

Тем не менее, следует использовать этот норматив, так как на настоящий момент не существует другого утверждённого документа или метода. При использовании ВСН необходимо осознавать рамки этого норматива. По сути, требуется творческий подход, т.е. понимание закономерностей развития русел. Формальное использование рекомендаций не гарантирует получения верного результата. Из практики прогнозов русловых деформаций одного из нефтяных Управлений известно, что верными оказались лишь 10% прогнозов.

В то же время, в подходе ГГИ имеются простые, интуитивно понятные рекомендации: используется метод экстраполяции прошлых деформаций русла на будущий прогнозный период; экстраполяция выполняется по совмещению разновременных русловых съёмок; подчёркивается необходимость полевых работ и поиска прежних картографических материалов.

Поэтому важна современная русловая съёмка участка реки. Обыденной ошибкой является съёмка узкой полосы реки в районе подводного перехода. По нормативам (и это действительно необходимо для качественного прогноза) требуется съёмка участка по длине равная десятку ширин реки или одной макроформе (например, излучине).

Основные требования к предполевым, полевым и камеральным гидрографическим работам детально рассмотрены в других докладах настоящего семинара (разбивка съемочной сети, организация водомерных постов, наблюдения за уровнями воды, способы координирования, определения глубин, приборы, программное обеспечение, обработка данных, построение планов и др.). Также не обойтись без поиска картографического материала за прошлые годы.

Требуются полевые и камеральные гидрологические работы: определение скоростной структуры потока уклонов водной поверхности; поиск меток высоких вод; расчёты обеспеченных уровней воды (для выбора места расположения задвижек). Об этом детально рассказывается в лекциях специалистов по стоку.

Должны быть предусмотрены другие работы:
геологические (или привлечение существующих материалов прежних лет);
водолазное обследование (или использование актов);
геоморфологическая съёмка;
обследование существующих гидротехнических сооружений;
опрос местных жителей.

Следует указать на основную ошибку при интерпретации геологических разрезов: редкое количество скважин приводит к формальному проведению профилей без учёта геоморфологических процессов, часто получается, что пойма «сложена» неразмываемыми грунтами, вскрытыми на самом деле на коренных берегах.

Все перечисленные выше полевые и камеральные работы дают необходимый объём данных для прогноза русловых деформаций даже в случаях, не описанных в нормативных документах.

Эти же данные нужны для математического и гидравлического моделирования. В настоящее время существуют несколько практически равноценных математических моделей движения воды в русле. О них рассказано в докладах специалистов по математическому моделированию. Ту же достаточную точность дают гидравлические (физические) модели.