К.Н. МАКАРОВ, доктор техн. наук, профессор, завкафедрой строительства Сочинского государственного университета
Ключевые слова: подводные каньоны, вдольбереговой поток наносов, рекреационные пляжи, волнозащитные наброски, математическое и физическое моделирование
Keywords: underwater canyons, longshore sediment transport, recreational beaches, shore protection rock placement, mathematical and physical modeling
Рассматривается состояние побережья Имеретинской низменности в контексте предлагавшихся и реализованных проектов инженерных мероприятий. Показано, что наблюдающиеся постоянные размывы пляжей и разрушения откоса и волнозащитной стены набережной являются следствием невыполнения основной рекомендации научного обоснования проектов как Имеретинского порта, так и берегозащитных мероприятий – создание и ежегодное пополнение резервного отвала пляжеобразующего материала к востоку от порта.
Имеретинская низменность располагается на Черноморском побережье Кавказа в междуречье рек Мзымта и Псоу в административных границах Адлерского района г. Сочи. Ее территория вытянута вдоль побережья на 8 км, ширина – 0,8-2 км и представляет собой низкую приморскую равнину, которая переходит в полого-холмистые предгорья. Поверхность низменности приподнята над уровнем моря в среднем от 1,5 м до 4 м. Границы Имеретинской низменности проходят: с запада – по реке Мзымта, с востока – по реке Псоу, с севера – по железной дороге и с юга – по берегу моря.
Генетически – это аллювиально-морская терраса. Развитие рельефа в период от нимфейской трансгрессии до настоящего времени происходило в условиях постепенного выдвижения берега за счет мощного поступления аллювиального материала в береговую зону. Выносимый рекой Мзымта влекомый сток формировался на предустьевом взморье в виде косы и под влиянием преобладающих волнений растягивался и формировал положительную аккумулятивную форму, оформлявшуюся затем в виде вдольберегового пляжа.
Прибрежный шельф характеризуется развитием подводных каньонов, перехватывающих вдольбереговой поток наносов и способствующих интенсивности абразии с общей тенденцией отступания береговой полосы (рис. 1). Основной опасностью для длительного и устойчивого состояния берегов Имеретинской низменности является проблема вреза подводных каньонов в дно и берега. Верховья подводных каньонов перехватывают часть песчано-галечникового материала из вдольберегового потока наносов [1].
Непосредственно в пределах междуречья рек Мзымта и Псоу насчитывается до 11 каньонных систем, из которых 4 (каньоны Мзымтинский, Кальмар, Новый и Константиновский) являются действующими. По ним осуществляется современный транспорт наносов на глубину, их верховые отвершки находятся в приурезовой зоне на глубинах 10-15 м. Средние уклоны тальвегов каньонов в интервале глубин 20-40 м лежат в пределах 0,25-0,30.
По данным съемок последних лет, продвижение к берегу каньонов Мзымтинского и Кальмар, к которым примыкает оградительное сооружение порта Имеретинского, происходило со скоростью порядка 1 м/год, а каньона Новый – 1,3 м/год.
Верховья каньона Константиновского перехватывают вдольбереговой поток наносов при сильных волнениях, когда возрастает поперечное перемещение наносов. По ряду оценок, потери наносов из вдольберегового потока составляют в среднем 13 тыс. м3/год.
Этот каньон отличается от других тем, что его верховья начинаются практически от уреза воды, а широкий тальвег каньона вымощен мощным слоем гальки, валунов и глыб. Эта валунно-галечная отмостка защищает тальвег каньона от донной эрозии, но при этом за счет активизации боковой эрозии быстрее разрушаются борта каньона.
Разрушающийся фронтальный врез каньона подходит к берегу на участке 400 м, активно разрушая его и срезая надводную часть мыса Константиновского, а также подводную часть пляжа.
Приведенные данные свидетельствуют о необходимости разработки специальных мероприятий по борьбе с эрозией вершин каньонов, чего не было сделано в проекте существующей берегозащиты, несмотря на соответствующие рекомендации, предложенные в работе [3].
При подготовке к Олимпиаде 2014 года были разработаны проекты Имеретинского порта и берегозащитных мероприятий на всем побережье Имеретинской низменности. В обоих случаях выполнялось математическое и физическое моделирование проектируемых мероприятий [2-4].
Здесь следует отметить, что основную роль в динамике морских берегов играет вдольбереговое перемещение (поток) наносов, характеризуемое емкостью Qe (транспортирующая способность водного потока), мощностью Qм (расход) – количеством наносов, фактически транспортируемым в единицу времени через данное сечение, и степенью насыщения – отношением мощности потока к его емкости Qм/Qe. Это отношение представляет собой один из видов записи фундаментального закона сохранения материи и энергии.
Насыщенным называют поток наносов, в котором мощность равна емкости Qм/Qe = 1. В этом случае берег является транзитным, устойчивым. Если емкость Qм/Qe > 1, то происходит выпадение наносов и образование аккумулятивных форм. Если поток не насыщенный, т.е. мощность меньше емкости Qм/Qe < 1, то происходит размыв дна и берегов.
В последнем случае для предотвращения деформаций берега могут быть два варианта:
– увеличить Qм, то есть произвести искусственные отсыпки пляжеобразующего материала;
– уменьшить Qe, то есть построить волногасящие или пляжеудерживающие сооружения.
Исходя из приведенных фундаментальных природных закономерностей, были сделаны предложения по организации рекреационных пляжей и берегозащите побережья Имеретинской низменности в работах [2, 3].
Их суть заключалась в следующем. В результате строительства Имеретинского порта берег от устья р. Мзымты до начала каньона Новый будет занят портовыми сооружениями. При этом будет полностью блокирован поток наносов, образованный твердым стоком реки Мзымты. Следовательно, берег к востоку от порта будет испытывать дефицит наносов
Qм/Qe < 1. Это неизбежно приведет к его размывам, если не выполнить комплекс берегозащитных мероприятий.
Возможны были три варианта таких мероприятий:
1. Без постройки каких-либо сооружений с сохранением существующего состояния. В этом случае необходимо регулярное искусственное пополнение пляжей к востоку от порта инертным материалом в объеме порядка 20 тыс. м3/год – расчетная емкость вдольберегового потока наносов. Для этого к востоку от проектируемого порта необходимо создать резерв пляжеобразующего материала, возможно, из дноуглубления акватории порта.
2. Устройство по всей длине побережья от порта до устья р. Псоу рекреационного пляжа шириной порядка 50 м с прогулочной набережной. При этом необходимость регулярного искусственного пополнения пляжей к востоку от порта инертным материалом в объеме порядка 20 тыс. м3/год сохраняется.
3. Консервация существующих пляжей путем строительства системы бун (шпор) с последующей подпиткой в объемах порядка 10 тыс. м3 один раз в 5 лет.
В случае реализации вариантов 1 или 3 надо иметь в виду, что ширина существующих пляжей на рассматриваемом участке берега была недостаточна для волногашения во время сильных штормов (особенно в верховьях каньонов). Поэтому в тыльной части пляжа необходимо устроить волногаситель, который должен заменить недостающую для волногашения его часть.
Волногаситель в тыльной части пляжа может быть устроен в виде:
1. Наброски (бермы) из крупного сортированного камня, которую следует рассматривать как деформируемое сооружение, подлежащее периодическим эксплуатационным ремонтам.
2. Наброски из фигурных блоков (тетраподов или гексабитов), которую также надо рассматривать как деформируемое сооружение.
3. Откосно-ступенчатой волнозащитной стены с упором на свайном основании с малым коэффициентом отражения. Со стороны берега за стеной может быть устроена набережная.
На участках, расположенных против вершин каньонов, параметры волногасителя должны быть усилены по сравнению с соседними участками. При этом следует отдавать себе отчет в том, что в случае невыполнения эксплуатационных пополнений пляжа, берма или наброска могут быть прорваны при проходе жестоких штормов, что и происходит в настоящее время.
Все указанные варианты инженерных мероприятий были детально исследованы в работах [2-4]. При этом были предложены конструкции сооружений и параметры системы бун.
Как известно, реализован был второй вариант инженерных мероприятий. Согласно проекту отсыпки пляжеобразующего материала на участке от проектируемого порта до восточного борта мыса Константиновского длиной 1,6 км, расположенного в зоне подводных каньонов Нового и Константиновского, должны были составить порядка 1550 м3 на 1 погонный метр берега, или 2,48 млн м3. На участке от восточной оконечности м. Константиновского до устья р. Псоу проектный объем отсыпки пляжа – порядка 260 м3 на 1 погонный метр берега, или 1,20 млн м3 на участок длиной 4,6 км. Таким образом, общий объем единовременной отсыпки пляжеобразующего материала со средней крупностью 20 мм должен был составить 3,68 млн м3. При реализации проекта указанные отсыпки пляжеобразующего материала были в основном выполнены.
Однако рекомендованное в научном обосновании проекта усиление конструкций сооружений в вершинах подводных каньонов не было сделано. И самое главное – ежегодное образование резервного отвала пляжеобразующего материала к востоку от порта Имеретинского никогда не выполнялось. Кроме того, в проекте вообще не предусматривались мероприятия по закреплению бровок подводных каньонов.
В то же время в научном обосновании проекта набережной [3] был выполнен анализ литературы по подводным каньонам. Кратко его результаты заключаются в следующем.
Задача закрепления бровок подводных каньонов представляется весьма неоднозначной, поскольку, как отмечено в [6], «…происхождение каньонов морского дна сейчас представляет собой почти такую же загадку, как и для исследователей, занимавшихся этим вопросом на ранних этапах развития науки». То есть до сих пор нет ясного представления о причинах появления каньонов вообще и размыва их тальвегов в верховых частях в частности.
На этот счет имеется ряд гипотез, однако, по мнению авторов [6, 7], ни одна из них не объясняет все полученные по данным натурных наблюдений характеристики и факты. Таких фактов авторами этих работ выделено 28.
Основными гипотезами о происхождении каньонов являются:
1. Эрозия, вызванная мутьевыми потоками, возникающими в вершинах каньонов.
2. Эрозия, вызванная медленным движением масс осадка вследствие гравитационного «течения», образования оползней, «пескопадов» и последующего перераспределения осадка глубоководными придонными течениями.
3. Эрозия, вызванная придонными течениями иного характера, чем мутьевые.
4. Погружение долин, выработанных в субаэральных условиях.
Авторы работы [6] приводят доводы как в пользу, так и против указанных гипотез. Однако как к наиболее вероятной, по крайней мере, для не очень больших каньонов, к которым можно отнести каньоны Мзымтинский, Кальмар, Новый и Константиновский, все исследователи склоняются к гипотезе 2, то есть эрозии, вызванной медленным смещением осадочного материала (с включением крупнообломочного) по тальвегу каньона, перемежающегося с кратковременными быстрыми оползнями.
Таким образом, если принять указанную гипотезу, накопление наносов в вершинах каньонов не только не приводит к их стабилизации (как считалось ранее), но, напротив, ускоряет эрозионные процессы, так как, «стекая» по тальвегу каньона, наносы разрушают его ложе.
Из сказанного следует парадоксальный, на первый взгляд, вывод: если вершина каньона свободна от наносов, то процесс его врезки в берег замедляется и обусловливается только размывом коренных пород придонными течениями.
Таким образом, для закрепления бровок каньонов, расположенных в зоне берегозащиты в Имеретинской низменности, необходимо решить следующие задачи:
1. Предотвратить скопление галечных наносов в вершинах каньонов.
2. Закрепить существующее положение бровок каньонов против размыва течениями.
Для решения этих задач предлагалось, в частности, закреплять вершины тальвегов канонов наброской (укладкой) тяжелых фигурных или правильных бетонных блоков. Однако, как показала практика применения такого способа [6, 8] (американцы даже старые автомобили топили в верховьях каньонов), при значительных уклонах тальвегов блоки даже большой массы неустойчивы и «сползают» под действием силы тяжести в условиях гидродинамических воздействий (течения и волны).
Поэтому в работах [2, 3] предлагалось закрепить бровки каньонов на глубинах 5-6 м шпунтовыми ограждениями с забивкой шпунта на глубину не менее 5 м от дна со срезкой шпунта на высоте 1,0-1,5 м от дна. Это мероприятие наряду с собственно закреплением бровок подводных каньонов обеспечило бы исключение свала наносов в них.
Однако данное предложение в процессе обсуждения проекта берегозащиты было подвергнуто огульной критике. В частности, утверждалось, что от подводной шпунтовой стены «будет мощное отражение волн» и что «шпунтовая стена все равно когда-нибудь будет подмыта и разрушена».
Подобные возражения «специалистов» свидетельствуют о полном непонимании процессов взаимодействия волн с препятствиями. Не очень понятно, какое может быть отражение волн от шпунтовой стены, возвышающейся над дном на 1,5 м на глубине 6 м?
Что касается того, что стена когда-нибудь будет разрушена, то ясно, что мы не египетские пирамиды строим, и все наши сооружения по истечении максимум 100 лет после их строительства будут заменены другими.
Тем не менее данное предложение по закреплению бровок подводных каньонов было отвергнуто практически без конструктивного обсуждения. Других предложений по стабилизации каньонов сделано не было. В итоге никаких мероприятий по закреплению подводных каньонов в проекте не было предусмотрено.
В результате отсутствия резервного отвала пляжеобразующего материала и эксплуатационных пополнений пляжей в настоящее время их динамика в Имеретинской низменности имеет ряд негативных тенденций [5].
В зонах подводных каньонов пляж не сохраняется, происходит подмыв ростверка и разрушение волногасящего откоса (рис. 2). Во время сильных штормов затапливается набережная.
В связи с изложенными обстоятельствами были выполнены противоаварийные мероприятия. В частности, в зонах Нового и Константиновского каньонов поверх откоса из бетонных блоков было выполнено устройство бермы из крупного камня (рис. 3).
В результате указанных мероприятий разрушение берегоукрепления было предотвращено. Однако заплески на набережную и территорию Олимпийского парка во время сильных штормов по-прежнему не исключены (рис. 4). Это свидетельствует о том, что параметры бермы не вполне достаточны для полного гашения волновой энергии сильных штормов.
Кроме того, возникли новые проблемные участки: на западном борту Константиновского мыса и в районе причала к востоку от этого мыса. По результатам натурных исследований и математического моделирования в [5] сделаны следующие выводы и рекомендации.
В зоне подводного каньона Новый в настоящее время расположено берегозащитное сооружение в виде наброски крупного камня поверх откоса из бетонных блоков. В сильные (но не экстремальные) штормы наблюдается заплеск волн через парапет набережной и затопление территории жилой застройки (рис. 4). Это свидетельствует о недостаточности профиля наброски для гашения штормовых волн. Рекомендовано увеличить ширину наброски по верху и довести отметки ее верха до +5,50 м БС.
На западном борту мыса Константиновский в настоящее время происходит размыв пляжа, поскольку здесь формируется вдольбереговой поток наносов мощностью около Qм = 15 тыс. м3/год. Если не принять мер против размыва, то в ближайшее время он достигнет каменной наброски на данном мысе. При этом произойдет подмыв и разрушение откоса из бетонных блоков. Предотвращение указанных негативных процессов может быть осуществлено только ежегодными эксплуатационными пополнениями пляжа в объеме порядка 15 тыс. м3 пляжеобразующего материала [5].
На восточном борту мыса Константиновский в настоящее время имеется пляж шириной 20-30 м. Он относительно устойчив. Поэтому никаких инженерных мероприятий по защите берега на этом участке выполнять не рекомендуется.
Однако следует иметь в виду, что, если не пополнять пляж на западном борту Константиновского мыса, прекратится насыщение вдольберегового потока наносами с этого участка. Поток начнет насыщаться уже на восточном борту мыса, что неизбежно приведет к его постепенному размыву.
На участке к востоку от существующего пирса происходит размыв пляжа (рис. 5). Он объясняется частичным перехватом вдольберегового потока наносов корневой частью пирса и волноломом. Поскольку процесс размыва пляжа мог привести к подмыву откоса из бетонных блоков и его деформациям или разрушению, в средней части участка выполнена противоаварийная наброска из камня. Однако она не имеет волногасящего профиля и не может рассматриваться как надежная защита берега. Кроме того, в результате выполнения этого мероприятия из рекреационного использования выведен участок пляжа длиной порядка 200 м.
На участке размыва рекомендуется выполнить отсыпку пляжеобразующего материала со средним диаметром 30-40 мм ленточным отвалом в объеме по 88 м3 на 1 погонный метр берега, или всего W = 18 тыс. м3. Камень из существующей противоаварийной наброски уложить в виде бермы в тыльной части пляжа и на откосе.
Восточный фрагмент побережья Имеретинской низменности в настоящее время находится в положении относительного динамического равновесия. Ширина пляжей составляет 18-30 м.
Однако на ряде участков уже намечается сокращение ширины пляжа и подмыв ростверка, что вынудило прибегнуть к противоаварийной защите набросками камня. Для полного гашения волн в расчетных штормах ширина надводной части пляжа на восточном фрагменте должна быть не менее 35 м [5]. Следовательно, во время сильных штормов будет происходить воздействие штормовых волн на откос из бетонных блоков.
Для того чтобы не допустить подмыва ростверка, рекомендуется организовать постоянные наблюдения за шириной пляжа на восточном фрагменте. При сокращении ширины надводной части пляжа до 20 м и менее следует производить его эксплуатационные пополнения в объемах 30-40 м3 на 1 погонный метр берега [5].
По результатам математического моделирования и натурных исследований можно утверждать, что основной причиной размыва пляжей и разрушения откоса набережной в Имеретинской низменности является отсутствие предусмотренных во всех проектах ежегодных резервных отсыпок пляжеобразующего материала к востоку от порта Имеретинского.
Если эти резервные отсыпки не будут организованы, то все инженерные мероприятия сведутся, как это сейчас и происходит, к постоянным точечным ремонтно-восстановительным мероприятиям на разных участках берега и постепенному выводу из рекреационного использования все более протяженных его участков.
Библиографический список
1. Имеретинская низменность. Природно-геологические условия, проблемы освоения/ И.П.Балабанов, С.П.Никифоров, И.С.Пашковский и др. Под ред. И.П.Балабанова. – М.: Недра, 2011.
2. Математическое моделирование волнового режима и динамики берега в районе проектируемого порта в Имеретинской низменности Адлерского р-на г. Сочи с разработкой рекомендаций по конструкции и конфигурации оградительных сооружений и берегозащите прилегающих участков побережья. – С.Петербург, ООО «Морстройтехнология», 2008.
3. Математическое моделирование берегозащитных мероприятий на побережье Имеретинской низменности в Адлерском районе г. Сочи. – Сочи, ООО «ВЭЙВ», 2008.
4. Гидравлическое моделирование гидротехнических проектных решений по берегоукреплению в волновом лотке и бассейне для проекта «Берегоукрепление Имеретинской низменности». Гидравлические исследования в волновом бассейне. Заключительный отчет по НИР. – Сочи, НИЦ «Морские берега», 2010.
5. Математическое моделирование в рамках комплекса мероприятий по мониторингу объекта «Инженерная защита территории Имеретинской низменности». – Сочи, ООО «ВЭЙВ», 2017.
6. Шеппард Ф., Дилл Р. Подводные морские каньоны. – Л.: Гидрометеоиздат, 1972.
7. Галанов Л.Г. О процессах, протекающих в вершинах подводных каньонов юго-восточной части Черного моря. Процессы развития и методы исследований прибрежной зоны моря. – М.: Наука, 1972.
8. Сафьянов Г.А., Меншиков В.А., Пешков В.М. Подводные каньоны – их динамика и взаимодействие с береговой зоной океана. – Краснодар, 2007.
