Захист територій і населених пунктів від паводків

 

Причини виникнення паводків. Танення снігів під час відлиг та інтенсивні опади призводять до утворення великого поверхневого стоку і підйому рівнів води в річках – паводків. Вони можуть багаторазово повторюватись протягом року. Весняний паводок ще називають водопіллям. Під час паводків, як правило, відбувається вихід води з берегів річок та інших водотоків на заплаву, що призводить до тимчасового затоплення замкнутих понижень, днищ балок, низинних територій з розташованими на них населеними пунктами та сільскогосподарсь-кими угіддями. В деяких випадках паводки призводять до значних руйнувань і носять катастрофічний характер. Такими були паводки 1998 і 2001 рр. в Закарпатті.

Паводки можуть бути викликані такими природними факторами:

1. Велика кількість опадів на території;

2. Відсутність рослинності на водозбірній площі, особливо на схилах;

3. Водонепроникні або промерзлі ґрунти на схилах, їх велика крутизна;

4. Великі похили гірських річок і малі похили рівнинних річок;

5. Ерозійні процеси на території та замулення річок;

6. Періодичність у змінах клімату, коли на зміну сухим приходять вологі роки.

На формування та проходження паводків негативно впливає господарська діяльність на водозбірних площах і в руслах річок:

1. Будівництво в руслах річок різних об’єктів, які зменшують їх водопропускну здатність;

2. Надмірна вирубка лісів у басейні річок;

3. Оранка крутих схилів і знищення деревно-чагарникової рослинності в заплавах і на берегах річок.

В Україні найбільш паводконебезпечною територією є Карпати та прилеглі до них передгірські райони, Полісся, придунайські та придністровські землі.

Для захисту території від затоплення під час проходження паводків найбільш надійними є інженерні методи захисту:

1. Обвалування територій з боку річки, водосховища або іншого водного об’єкта;

2. Регулювання русел річок;

3. Регулювання стоку річок.

В залежності від причин, що призводять до виникнення паводків, інженерні методи захисту можуть бути доповнені організаційними та агролісомеліоративними протипаводковими заходами.

Обвалування територій. Для захисту території від припливу поверхневих вод з боку річки застосовують їх обвалування за допомогою дамб.

Дамби – це споруди вздовж річок, водосховищ і узбережжя морів у вигляді штучних валів з місцевого ґрунту, що перешкоджають надходженню на прилеглу територію води при підйомі її рівня.

Обвалування затоплюваних територій може бути загальним і по ділянках. Загальне обвалування доцільно застосовувати у разі відсутності на території, яка захищається, водотоків, або коли їх стік може бути перекинутий у водосховище або в ріку по відвідному каналу, трубопроводу або насосною станцією.

Обвалуванняокремими ділянками застосовується для захисту територій, що перетинаються великими річками, перекидання стоку яких є економічно недоцільним, або для захисту окремих ділянок території з різною щільністю будівництва.

Обвалування територій також може бути замкнене і незамкнене. Замкнені дамби влаштовуються на заплавах річок з малими похилами. Вздовж берега річки проектують поздовжню дамбу, а перпендикулярно їй з двох боків поперечні дамби до корінного берега заплави. В замкнених дамбах місцевий стік від атмосферних опадів і води, що фільтрується через тіло дамби під час паводків, затримується в низинній частині обвалованої площі. Для відведення такої води вздовж дамби проектується скидний канал, а в тілі дамби влаштовують трубчасті водовипуски. Відведення поверхневого стоку також може здійснюватись за допомогою насосної станції.

Незамкнені дамби влаштовуються на річках з великими похилами і широкою заплавою. Дамби проектують вздовж берега річки і перпендикулярно їй тільки з верхової сторони до корінного берега. В цьому випадку має місце вільний стік поверхневих вод з обвалованої площі.

Для зменшення площ затоплення у випадку прориву поздовжньої дамби перпендикулярно їй до корінного берега можуть бути влаштовані поперечні дамби – траверси. Їх доводять до відміток місцевості, що не затоплюються і обладнують водоскидними пристроями.

За умовами роботи і призначенням дамби обвалування можуть бути затоплюваними і незатоплюваними. Незатоплювані дамби влаштовують для постійного захисту від затоплення населених пунктів, промислових об’єктів, цінних сільськогосподарських угідь, історичних пам’яток, які прилягають до водосховищ, річок та інших водних об’єктів. Дамби не допускають переливання води через гребінь протягом усього року при нормальних і надзвичайних умовах експлуатації. Їх висота має перевищувати максимальні рівні води під час паводків розрахункової забезпеченості.

На рівнинних річках України максимальні рівні спостерігаються під час водопілля. На гірських річках паводки формуються в будь-який період і можуть бути зливого, снігового або змішаного (сніго-дощовою) походження. На теплий період року (травень – жовтень) приходиться біля 65% загальної кількості паводків і 35% - на холодний період (листопад – квітень). Однак, за величиною максимальної витрати і відповідно рівня води паводки холодного періоду перевищують, як правило, паводки теплого.

Затоплюванідамби влаштовуються для тимчасового захисту сільськогосподарських угідь в період вирощування на них сільськогосподарських культур. Тому не допускається переливання води через гребінь в період проходження в річці літньо-осінніх паводків, а також в період підтримання у водосховищі нормального підпертого рівня.

Перелив води через гребінь дамби і затоплення території допускається в період весняної повені, форсованого рівня води у водосховищі. На обвалованій території не повинно бути населених пунктів, промислових об’єктів, багаторічних насаджень і озимих культур. Весняні паводкові води приносять на заплаву мул та інші поживні речовини. Під час тимчасового затоплення також утворюється значний запас вологі у ґрунті. Тому територію рекомендується використовувати під луки і пасовища, які витримують тривале весняне затоплення, посіви ярових культур.

Для захисту гребеня і укосів затоплюваних дамб від розмиву їх закріплюють посівом багаторічних трав. В тілі дамби влаштовуються водовипуски для випуску води із затопленої території, а на самій території мережа відкритих осушувальних каналів. Вздовж дамб проектується береговий відкритий або закритий дренаж для перехоплення фільтраційної води з ріки, а також поверхневого стоку з території.

Дамби на плані трасують паралельно руслу ріки, але вони не повинні мати надмірну звивистість. Їх проектують прямолінійними з плавним закругленням на поворотах. Мінімальна відстань від низу укосу дамби до водотоку або будь якої виїмки становить:

-на мінеральних ґрунтах: ,м (4.1)

-на торф’яних ґрунтах: ,м (4.2)

де - глибина виїмки (водотоку), м; – висота дамби, м

Дамби проектують на підвищених ділянках заплави. Вони повинні уникати місцевих понижень, ділянок з несприятливими інженерно-геологічними умовами і нестійкими ґрунтами (мул, сапропель, глибокі торф’яники). В населених пунктах напрямок траси дамб залежить також від забудови території та сформованої інженерно-транспортної інфраструктури. На ділянках, де відсутнє місце для будівництва дамб, влаштовують підпірні стінки, набережні, підвищення території.

Дамби можуть захищати один або два берега ріки. Необхідна кількість рядів дамб приймається в залежності від використання території та рельєфу заплави. Якщо один берег ріки високий, а інший низький, то захищається, як правило, низький берег. В залежності від умов використання території на одному березі можуть бути влаштовані затоплювані дамби, на іншому – незатоплювані. Більш надійний захист території забезпечується при дворядній системі дамб на кожному березі. Перший ряд затоплюваних дамб захищає територію, що використовується під луки, пасовища, ярові культури. Другий ряд незатоплюваних дамб проектують через 1…3 км. Він захищає сільськогосподарські угіддя з озимими культурами, населені пункти, дороги, залізниці тощо.

Конструкція дамб приймається в залежності відінженерно-геологічних умов в основі дамби, їх висоти і напорі води, технології виконання робіт. Для дамб обвалування рекомендується трапецеїдальна форма поперечного перерізу. Профіль дамби (обтиснутий або розпластаний) вибирається з урахуванням наявності місцевих будівельних матеріалів, технології виконання робіт, умов вітрового хвилювання на верховому укосі і виходу фільтраційного потоку на низовому. Виходячи з наведених умов, найбільш раціональним в більшості випадків вважається обтиснутий профіль дамби (Рис.4.6.).

 

 

Рис.4.6. Поперечний переріз дамби:

 

1 - тіло дамби; 2 - опорна призма з негабаритного каменю; 3 - основне кріплення у вигляді кам’яного накиду; 4 - облегшене кріплення у вигляді кам’яного накиду в плотових клітках; 5 - посів багаторічних трав; 6 - хмизова вистилка

 

Розміри захисних дамб визначаються на основі нормативних документів і відповідними розрахунками.

Опорна призма є опорою для матеріалу кріплення верхового укосу і захищає основу дамби від розмиву. Верх призми проектують на 0,5 м вище меженного рівня води забезпеченістю 50%. Для визначення ширини призми розраховують глибину воронки розмиву в основі дамби, що утворюється при максимальних витратах в річці. Призма повинна бути такої ширини, щоб матеріал призми після зсуву у воронку продовжував підтримувати кріплення укосу і захищав підводний укіс воронки від подальшого руйнування. В якості матеріалу призми використовують кам’яний накид з негабаритного каменю, габіони.

Габіони – це об’ємні конструкції з металевої сітки різної форми, що заповнені каменем.

Кріплення верхового укосу захищає укіс і тіло ґрунтової дамби від розмиву потоком води, атмосферними опадами, хвилями і льоду. Поділяється на основне і полегшене.

Основне кріплення захищає укіс у зоні найбільш інтенсивної механічної дії потоку води. Верх основного кріплення буде на глибині, де швидкість руху води дорівнює нерозмиваючій швидкості для ґрунту, з якого складається дамба.

Полегшене кріплення проектують вище основного в зоні послаблених механічних впливів діючих факторів. Верх полегшеного кріплення відповідає розрахунковому максимальному рівню води.

Для захисту верхового укосу вище полегшеного кріплення, гребеня і низового укосу дамби від атмосферних опадів і вітрової ерозії їх кріплять посівом багаторічних трав.

Для укріплення укосів дамб використовуються слідуючи матеріали і конструкції:

1. Збірні залізобетонні покриття з плит;

2. Монолітні суцільні залізобетонні покриття;

3. Кам’яний накид у вигляді звичайного кріплення каменем, каменем в плотових клітках з хмизу, кам’яної бруківки;

4. Габіонні конструкції у вигляді габіонних ящиків та матраців;

5. Біологічне кріплення у вигляді хмизової вистилки, хмизових фашин, посіву багаторічних трав.

Дренаж в основі низового укосу у вигляді труб, кам’яної призми, привантаження тощо призначений для відведення води, що фільтрує через тіло дамби. Він необхідний при тривалому знаходженні високого рівня води у верхньому б’єфі дамби. При проходженні піку паводку в річці протягом короткого періоду часу (1…3 доби) має місце неусталений рух фільтраційних вод в тілі дамби, а депресійна крива, як правило, не формується. Тому при певному обґрунтуванні захисні дамби проектуються без дренажу.

Регулювання русел річок. Для захисту від паводків в деяких випадках не обов’язково проводити обвалування територій. Інколи для зниження рівня води достатньо поглибити русло ріки, збільшити її похил і тим самим прискорити пропуск паводкових вод, тобто провести регулювання її русла. Регулювання русел річок включає наступні заходи:

1. Випрямлення річок;

2. Поглиблення і розширення русла;

3. Оснащення русла регулюючими спорудами;

4. Берегоукріплення.

Випрямлення річок. Під дією потоку води русло ріки постійно деформується. Ерозія русла може бути як бокова, так і глибинна. На нестійких ґрунтах бокова ерозія призводить до зміни положення русла на плані, утворенню безперервного ряду звивин, які перериваються короткими прямолінійними ділянками.

Внаслідок надмірної звивистості збільшується довжина русла ріки, відповідно зменшується її похил і швидкість руху води. Русло не здатнє пропустити паводкову витрату в бровках, відбувається вихід води на заплаву.

Тому при вираженій звивистості (коефіцієнт звивистості 1,5…2,0 і більше) проводять випрямлення русла на окремих ділянках шляхом прокладання коротких прокопів, рішучого спрямлення, створення нового русла (Рис.4.7).

 

Рис. 4.7. Регулювання русла ріки:

 

1 – прокоп; 2 – перемичка; 3 – поздовжня дамба; 4 –берегоукріплення; 5 – напівзагати

 

Прокоп та нове русло повинні мати стійке до розмивання з’єднання з існуючим руслом, бути прямолінійним або мати невелику плавнозмінюючу кривизну в плані, стійки ґрунти в основі, не перетинати слабкі ґрунти і озера, проходити в межах заплави.

На великих річках проводиться, як правило, локальне випрямлення, на малих і середніх притоках застосовуються рішуче спрямлення або створюється нове русло. При проектуванні виправної траси слід якомога більше використовувати існуюче основне русло, перекриваючі зайві протоки та випрямляючі круті завороти.

Поглиблення і розширення русла. Ерозійні процеси в руслі ріки характеризуються глибинною ерозією у верхній течії, боковою – в середній течії і відкладанням наносів у нижній течії. Наноси зменшують глибини і поперечний переріз ріки, знижують її пропускну здатність. Після проходження паводків у руслах виникають захаращені місця, де скупчується деревина, корчі і сміття. На окремих ділянках є підмиви, обвали та зсуви берегів, накопичення річкових наносів. Все це змінює гідравлічні характеристики русла, такі як площа поперечного перерізу, шорсткість.

Тому для створення безперешкодних умов проходження паводків русла річок доводять до гідравлічно найвигідніших поперечних і поздовжніх профілів шляхом розширення та поглиблення. Широкі русла лише поглиблюють, а береги залишають у природному стані. Вузькі ділянки русла розширюють. Можливе одностороннє розширення берегів. При розширеннях зберігаються стабільні ділянки русла.

Оснащення русла регулюючими спорудами. Регулюючими називаються гідротехнічні споруди, що створюють опір підмиванню, відкладанню наносів, руйнівної дії води і льоду.

На річках, що змінюють своє русло, для захисту території від затоплення під час паводків рекомендовано застосовувати слідуючи регуляційні споруди в залежності від їх призначення.

Поздовжні дамби розміщуються за течією або під кутом до неї і які призначені для обмеження ширини водного потоку.Їх влаштовують на ділянках річки, де її ширина в два і більше разів перевищує середнє значення.

Струмененапрямні дамби розміщуються за течією і призначені для плавного надходження потоку до створів моста, греблі, водоприймача або інших гідротехнічних споруд. До них відносять і перемички.

Перемички – ґрунтові дамби, що перекривають старе русло ріки і направляють потік води з природного русла в прокоп. Проектуються як затоплювальні дамби для регулювання меженного русла.

Загати перекривають русло від берега до берега і призначені для повного або часткового перепинення течії води по рукавах і протоках з метою підтримання необхідних глибин в основному руслі.

Напівзагати (буни, шпори) – розміщуються під прямим (або близьким до прямого) кутом до потоку води, перекривають лише його частину і застосовуються для стиснення русла, виправлення течії, захисту берега і дамби від розмивання.

Берегоукріплення. Береги річок, укоси грунтових дамб, яким загрожує небезпека руйнування потоком води, хвилями та льодом кріпляться в першу чергу для захисту від розмиву і в деяких випадках для регулювання течії вздовж берега. Положення берегоукріплювальних споруд визначається конфігурацією берегової лінії при розрахунковому рівні води. Так як підмиваються більше увігнуті береги, то і укріплення проводять переважно біля цих берегів.

В основі кріплення влаштовується опорна призма. Укоси берега захищаються каменем, габіонами, фашинами, залізобетонними плитами. Верх кріплення відповідає максимальному рівню води під час паводку розрахункової забезпеченості (Рис.4.8).

 

Рис.4.8. Захист берега габіонами

 

1 – опорна призма з каменю; 2 – габіонні ящики (3х1х1 м); 3 - зворотня засипка грунтом

 

Регулювання стоку річок. Досвід захисту територій від затоплення, особливо в гірських та передгірських районах Карпат показує, що обвалування територій і регулювання русел річок не гарантує їх повний захист під час високих паводків. Крім того, влаштування захисних дамб на заплавах часто призводить до окремих небажаних наслідків, зокрема до стиснення потоку в міждамбовому просторі, збільшення витрат і висоти підйому рівнів води, швидкостей і руйнівної дії потоків води, втрат регулюючих ємностей на заплаві, переливу води через гребінь дамби при перевищенні розрахункових витрат.

Тому для підвищення ефективності і надійності наведених протипаводкових заходів їх необхідно доповнити регулюванням стоку річок.

Регулювання стоку – це перерозподіл у часі обсягів річкового стоку, зміни його режиму відповідно до потреб різних галузей народного господарства та захисті територій. Воно включає в себе слідуючі заходи:

1. Перекидання річкового стоку;

2. Створення водосховищ;

3. Створення протипаводкових ємностей;

4. Створення протипаводкових польдерів.

Перекидання частини стоку з басейну паводконебезпечної річки в басейн сусідньої річки, де не існує небезпеки затоплення, дозволяє суттєво зменшити максимальні паводкові витрати та рівні води і тим самим підвищити надійність роботи існуючих споруд. Проте в Україні цей захід не знайшов широкого застосування.

Водосховище – це єдиний радикальний спосіб регулювання стоку річок. Майже кожне водосховище виконує протиповеневі функції. Це зумовлено тим, що водопропускні споруди на греблях мають меншу пропускну здатність, ніж природний профіль русла і заплави річки. Однак, виходячи з економічних міркувань, водосховища також виконують завдання гідроенергетики, ірригації, водопостачання, судноплавства, рибогосподарства, рекреації.

Для досягнення найбільшого ефекту при регулюванні стоку під час паводків водосховища необхідно розміщувати у верхів’ї річок. На малих річках регулювання стоку здійснюється шляхом створення численних ставків, копаней та інших водойм на території днищ уголовин, балок та ярів. На середніх річках створюють водосховища.

Протипаводкова ємність призначена для регулювання паводків шляхом акумулювання паводкового стоку при постійно працюючому глибинному водоскиді. Будь-якого іншого використання ємності не передбачається. Їх розміщують в гірській місцевості у верхів’ях річок, де відбувається формування паводків. В цих місцях такі паводкоформуючі фактори, як запаси снігу, добова кількість опадів, попередня насиченість схилів, похили поверхні мають максимальні значення. Тому і ефект від створення ємностей буде також максимальним.

Протипаводкові ємності за своєю сутністю не є водосховищами в традиційному розумінні. В нормальних умовах це порожні ємності, які заповнюються тільки під час проходження високих паводків забезпеченістю 10% і менше. Різниця між річковим стоком і скидом через водозлив акумулюється в чаші ємності. Після проходження піку паводку і повного наповнення ємності відбувається її спрацювання з скидом води через водозлив. Таким чином ємність зрізає пік паводку шляхом його акумулювання. В міжпаводковий період вони можуть використовуватись для потреб лісового та сільського господарства (вирощування лісу, багаторічних трав або інших культур).

Використання протипаводкових ємностей для регулювання стоку дозволяє суттєво знизити максимальні паводкові витрати і рівні води в річках на ділянках нижче ємності. Це суттєво зменшить гідравлічне навантаження на діючий протипаводковий захист, зробить його більш надійним. Зниження витрат уповільнить також негативні процеси під час паводку: меандрування русел, розмив і обвалення берегів, полотен доріг, підмив основ захисних дамб і опор мостів, замулення наносами гідротехнічних споруд.

Протипаводковий польдер – це огороджена дамбами частина заплави, що заповнюється тільки при проходженні в річці максимальних витрат з метою зниження рівнів води в пік паводку. Заповнення польдерів починається при проходженні витрат 10% забезпеченості і менше, коли існує загроза затоплення населених пунктів, важливих об’єктів і територій.

В цей час паводкові води організовано запускаються до польдеру і утримуються в ньому до проходження паводку. Заакумульовану в польдері воду можна використовувати для обводнення територій, збереження водно-болотних угідь, зрошення. Якщо немає потреби зберігати акумульовану воду її скидають з польдера в ріку при зниженні рівнів води в ній. Таким чином протипаводкові польдери зрізають частину піка високого паводка і знижують рівні води на ділянках, що знаходяться нижче.

Польдери розміщують у середній та нижній частинах річок на рівнинній місцевості або у природних пониженнях. Під територію польдеру обирають місцевість, що не використовується в сільськогосподарському виробництві, на якій відсутні будівлі, транспортна та інженерна мережа. Як правило, це заболочені території, старі русла річок та її протоки, природні пасовища.

В цілому слід мати на увазі, що надійний захист населених пунктів і територій від затоплення під час паводків можливий тільки при комплекному застосуванні всіх протипаводкових заходів.