Посвящена методам прогнозирования образования волн в водохранилищах (и других водоемах) в результате сейсмических воздействий, а также обвально-оползневых явлений на береговых склонах. Описываются случаи образования таких волн, излагаются различные (в том числе упрощенные) расчетные и экспериментальные методы их прогнозирования, а также способы схематизации исходных явлений. Для инженерно-технических работников.

Предисловие
Введение

Глава 1. Образование волн в водоемах вследствие сейсмических воздействий и обвально-оползневых процессов

Глава 2. Процессы, вызывающие волнообразование в водохранилищах, и их схематизация
1. Сейсмотектонические деформации и масштабы их проявлений на поверхности Земли
2. Параметры сейсмотектонических остаточных деформаций
3. Движение обвально-оползневых масс

Глава 3. Математическое моделирование обвальных и сейсмогенных волн
4. Общие положения
5. Двумерные математические модели в рамках теории волн малой амплитуды
A. Общая постановка задачи и ее аналитическое решение
Б. Волны в водохранилищах при сейсмических воздействиях колебательного характера, вызванных местными землетрясениями
B. Волновой процесс при сейсмотектонических деформациях на участке дна водохранилища
Г. Волны при обвально-оползневых явлениях
Д. Численная модель волнообразования с учетом взаимодействия оползневого тела с водной средой
6. Трехмерные математические модели
А. Формулировка и решение по теории волн малой амплитуды общей задачи волнообразования в схематизированном водохранилище при наличии возмущений на его границах
Б. Волны в водохранилище при обвально-оползневых явлениях у его бортов и дифференцированном сейсмотектоническом смещении его ложа
7. Математическая модель волнового движения в рамках теории мелкой воды

Глава 4. Экспериментальные исследования обвальных волн
8. Эксперименты на гидравлических лотках и сопоставление экспериментальных данных с результатами расчетов
9. Эксперименты на физических моделях реальных водоемов и их сопоставление с данными расчетов

Глава 5. Рекомендации по прогнозированию параметров обвальных и сейсмогенных волн
10. Применение различных математических моделей
11. Упрощенные методы определения максимального повышения уровня воды у плотины
А. Обвальные волны
Б. Сейсмогенные волны

Приложение. Пример расчета параметров обвальных волн для реального объекта
Список литературы

Предисловие

Исследование образования волн в водохранилищах в результате сейсмических явлений или обвально-оползневых процессов началось в Грузинском НИИ энергетики и гидротехнических сооружений (ГрузНИИЭГС) еще в середине 60-х годов. Это было связано с проектированием и строительством таких крупных гидроузлов, как Токтогульский, Жинвальский, Ингурский и др., в районах с повышенной сейсмичностью при сложных топографических и геологических условиях.

Существующие к тому времени методы определения сейсмического давления воды на напорную грань плотины или другого ограждающего сооружения позволяли определить лишь колебания воды в водохранилище при горизонтально ориентированных колебаниях ограждающих стенок, вызываемых сейсмическими или другими динамическими воздействиями. Однако сложные геологические условия, возможные сейсмотектонические остаточные деформации в районе водохранилища или его ложа, обвалы и оползни на его склонах могут стать причиной возникновения гораздо более интенсивных и опасных для гидроузла колебаний уровня, что потребовало проведения новых исследований.

Вопросы возникновения и распространения таких волн частично изучались с начала 70-х годов и другими исследователями как у нас, так и за рубежом. Эти исследования проводились методами математического моделирования и путем экспериментирования на физических моделях таких объектов, как Сарезское озеро (СССР), строящиеся плотины Кричим (Болгария), Гепач (Австрия), Либби (США) и др. Результаты исследований были освещены в ряде публикаций, однако до настоящего времени нет работы, в которой были бы собраны и систематизированы основные результаты исследований и даны необходимые рекомендации для проектирования.

В предлагаемой книге сделана попытка систематизировать результаты этих исследований и изложить их в форме, удобной для инженеров-практиков, в частности для проектировщиков. В книге приводятся описания случаев образования волн вследствие обвально-оползневых процессов и сейсмотектонических остаточных деформаций; рекомендации по оценке параметров процессов, являющихся причиной волнообразования; математические модели, применяемые для описания процесса волнообразования; описания экспериментов по обвальным волнам; сопоставления результатов, полученных по различным расчетным зависимостям с экспериментальными результатами; упрощенные «инженерные» зависимости, полученные путем численного экспериментирования. При этом предполагается, что с помощью упрощенных зависимостей может быть проведена предварительная оценка максимальной высоты волн для различных (причем изменяющихся в довольно широких пределах) значений параметров ожидаемого обвала-оползня либо сейсмотектонической деформации, что представляется существенным, так как точное прогнозирование значений этих параметров в настоящее время маловероятно.

Книгу написали: Т.Л. Гвелесиани – гл. 1, гл. 2 (§ 1, 2), гл. 3 (§ 5А-5Д, 6А, 6Б), гл. 5 (§ 10, 11 А, 11Б); T.Л. Гвелесиани, Г.Я. Джинджихашвили – гл. 2 (§ 3), гл. 4 (§ 8, 9); все авторы – гл. 3 (§ 4, 7), предисловие, введение, приложение, список литературы.

Авторы выражают благодарность рецензенту доктору техн. наук, проф. В.М. Лятхеру за ценные замечания и рекомендации, способствовавшие улучшению книги.

Введение

Мировая гидротехническая практика и данные натурных наблюдений свидетельствуют о том, что волны, возникающие в водохранилищах, озерах, заливах, фиордах и других закрытых и полузакрытых водоемах при различного рода сейсмотектонических подвижках участков дна, а также при обвально-оползневых явлениях у береговых склонов, могут достигать значительной высоты и представлять опасность для водоподпорных сооружений, населенных пунктов, мостовых переходов и иных объектов, расположенных вблизи уреза воды, судоходства. Так как в настоящее время гидроэнергетическое строительство ведется в основном в районах со сложными геологическими и сейсмическими условиями, представляется необходимым наличие в арсенале инженера-гидротехника методов прогнозирования таких волн, называемых ниже «сейсмогенными» и «обвальными». Результаты этого прогнозирования должны быть учтены при выборе створа водоподпорного сооружения и назначении превышения гребня сооружения над уровнем воды в водохранилище. Они могут обусловить также принятие решения по уменьшению объема потенциального оползня или обвала.

Эффективность прогнозирования обвальных и сейсмогенных волн зависит, в первую очередь, от степени изученности явлений, вызывающих их возникновение. К сожалению, определение параметров возможных сейсмотектонических процессов в районе расположения водохранилища или в области самого водохранилища на сегодняшний день возможно лишь в первом приближении; так и следует рассматривать приводимые в книге данные.

Вопросы образования оползней и обвалов у бортов водохранилища изучены несколько более подробно, причем для ряда частных случаев существуют методы оценки параметров движения обвально-оползневых масс. Тем не менее эти методы основаны, как правило, на значительном числе допущений, а следовательно, значения этих параметров могут находиться в широких пределах. 

Поэтому мы сочли целесообразным, опираясь на основные фундаментальные уравнения гидромеханики, разработать методику расчета образования волн в водохранилищах, схематизированных в виде прямоугольного параллелепипеда ограниченной или неограниченной длины, или решать задачу волнообразования в плоской постановке с учетом изменения глубины. Методика, опирающаяся на указанную выше схематизацию исследуемой области, позволяет получить расчетные зависимости, посредством которых возможно оценить основные элементы сейсмогенных и обвальных волн и, в частности, максимальные повышения уровня воды у плотины с учетом возможной вариации исходных параметров. Знание этого необходимо для решения вопроса о допустимости сооружения гидроузла в данном створе и для разработки мер, обеспечивающих безопасность эксплуатации объекта, что имеет важнейшее значение для охраны окружающей водохранилище природной среды (экологическая безопасность). Принятые при решении этого вопроса допущения, в частности рассмотрение явления волнообразования с позиции теории волн малой амплитуды, незначительно искажают реальную картину; результаты, полученные по вышеуказанной расчетной методике, достаточно хорошо совпадают с экспериментальными результатами, полученными разными исследователями, в том числе и авторами настоящей книги.

В ряде случаев, когда существенное значение имеет учет реальной конфигурации водоема, вопрос об обвальных волнах может рассматриваться в рамках теории мелкой воды (в одномерной или плановой постановке). При этом могут использоваться различные алгоритмы, реализующие тот или иной численный метод.

При весьма близком расположении крупных потенциальных обвалов и оползней у створа плотины прогноз обвальных волн приходится составлять с учетом результатов расчетов, полученных при посредстве вышеуказанных методов с привлечением также и экспериментальных исследований.

Ввиду ограниченности объема в книге рассмотрены основные расчетные схемы, разработанные авторами, и соответствующие им математические модели. Не вошли сюда результаты расчетов авторов для конкретных объектов, например, для Рогунского, Жинвальского, Саяно-Шушенского гидроузлов.