Береговая зона морей является основной средой обитания человека, так как около 2/3 населения Земли предпочитает жить, работать и отдыхать на морском побережье. Здесь добываются полезные ископаемые, проводится промышленное, гражданское, гидротехническое строительство, развивается туризм, рекреация и т.д., что негативно сказывается на устойчивости береговой зоны.
Генеральный директор ООО АБ «ГОР-ПРОЕКТ», советник РААСН Серебряков Г.Б.
Главный инженер ООО АБ «ГОР-ПРОЕКТ», советник РААСН Гришин Н.А.
ЧАСТЬ I
ВВЕДЕНИЕ
Береговая зона морей является основной средой обитания человека, так как около 2/3 населения Земли предпочитает жить, работать и отдыхать на морском побережье. Здесь добываются полезные ископаемые, проводится промышленное, гражданское, гидротехническое строительство, развивается туризм, рекреация и т.д., что негативно сказывается на устойчивости береговой зоны.Действия человека, направленные на изменения береговой зоны в своих интересах, начали повсеместно приводить к разрушению стабильности природных прибрежных систем. На морских побережьях отмечается 10 из 50 возможных природных процессов, которые могут вызвать аварийные ситуации с катастрофическими последствиями. Поэтому решение проблемы защиты берегов, наряду с общей задачей предотвращения нежелательных последствий и их деятельности, является ключевым моментом гармонизации взаимоотношения природной среды и человека при освоении береговой зоны и побережья морей.
В классической работе «История и философия берегозащиты» известный голландский гидротехник Пер Бруун отмечал:
«Природа не только показывает нам, как происходит разрушение берега, но и демонстрирует, как надо его защищать. Можно сказать, что нет такого способа защиты, который не был бы изобретен природой раньше, чем был применен человеком. Поэтому, мы должны учиться у природы, для чего нужно лишь сделать над собой усилие и раскрыть глаза: мы заметили, что природа более выразительна и имеет больших успехов, чем человек» (Bruun, 1972).
Наиболее важным градообразующим элементом морских городов-курортов являются рекреационные пляжные комплексы, которые могут занимать участки побережья протяженностью от сотен метров до нескольких километров вдоль уреза воды и значительными территориями на прилегающей береговой части. К их числу относятся как главные городские пляжные комплексы с набережными, парковыми зонами и развитой сервисной инфраструктурой, так и относительно небольшие локальные автономные пляжные территории.Практически у всех популярных морских курортов одним из наиболее важных градообразующих элементов является главная городская набережная. Как правило, она представляет собой удобную прогулочную эспланаду, проходящую вдоль пляжей или объектов яхтинга. В любое время года набережная является излюбленным местом отдыха горожан и гостей курорта, по набережной и прилегающей к ней территории часто судят о привлекательности курорта в целом. Поэтому во всем мире набережным приморских городов и окружающей их застройке уделяется самое пристальное внимание.
Пляжи являются естественными и наиболее эффективными образованиями, обеспечивающими полное волногашение и устранение волнового воздействия на территории, примыкающие к пляжам со стороны суши. Но такую функцию пляжи могут выполнять только при одном обязательном условии – они должны быть динамически устойчивыми к воздействию волнения.
ЧАСТЬ II
РЕТРОСПЕКТИВА МЕТОДОВ БЕРЕГОЗАЩИТЫ
История создания первых берегозащитных сооружений может быть отнесена еще к античным временам. Обнаружены следы древних береговых строений в Александрийском порту, античных портах Аппенинского и Пелопонесского полуостровов. На низменных берегах Девоншира и Линькольшира при раскопках были обнаружены подпорные стенки и дамбы, построенные еще в III-IV вв. до н.э. С этого времени человечество ведет борьбу с наступлением моря, изобретая различные способы берегозащиты.Технологический и методологический бум берегоукрепления был связан с изобретением в 1844 году цемента и чуть позже появлением железобетона. С тех пор различные типы железобетонных конструкций стали быстро внедряться не только в портовом строительстве, но и в берегоукреплении. Вначале это были подпорные и волноотбойные стены, затем подводные волноломы, буны и траверсы, волногасящие наброски фигурных массивов и др. Но с появлением железобетона проблема эффективной защиты берегов решена не была. Как это ни парадоксально, но в худшем положении оказались те участки, где строительство железобетонных берегоукрепительных сооружений велись самое продолжительное время. Причина, кроется в том, что внедрение жестких конструкций в береговую зону приводит к существенной перестройке всей системы взаимосвязей и взаимозависимостей гидро- и литодинамических процессов.
Тотальное внедрение железобетона не единственный печальный опыт берегоукрепления. Поэтому при выборе методов защиты берегов важно учесть ошибки, а так же принять во внимание положительные результаты, которые были достигнуты решении проблемы эффективной берегозащиты.
Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что эффективность берегозащитных мероприятий зависит в значительной степени от соблюдения нескольких концептуальных принципов. Один из основных принципов требует ответа на главный вопрос – защищать или не защищать? Для ответа на вопрос необходимо знать: в каком состоянии находится морской берег, нарушено ли его динамическое равновесие, каковы причины нарушения этого равновесия и не наносят ли они необходимого характера. Ведь любая неудачная попытка укрепить берег может вызвать нежелательные последствия, в частности, трансформацию берега в морфосистему с еще худшими относительно начального состояния свойствами.
Если решение о строительстве берегозащитного сооружения принято, необходимо выбрать эффективный, обеспечивающий поддержание береговой зоны в динамически устойчивом состоянии метод берегозащиты. Рациональное решение этой проблемы требует комплексного подхода к морским берегам как сложной природной системе.
Вмешательство в береговые процессы с целью защиты берегов от разрушения подразумевает обязательное согласование природных и технических элементов в виде единой оптимизированной системы. Проектирование и строительство берегозащитных комплексов должны охватывать, по крайней мере, литодинамические системы или ячейки, которые обладают автономным режимом динамики развития, а также имеют собственный баланс наносов.
Традиционные методы защиты берегов
Волноотбойные стены.
Волноотбойные стены как средство защиты от волнений использовались еще в глубокой древности. Вначале они представляли собой обычную каменную кладку с вертикальной передней гранью и практически не имели фундамента. Такие стены быстро выходили из строя от ударов волн и эрозионного воздействия движущимися наносами. С течением времени конструктивные особенности стен претерпели большие изменения, и сейчас они лишь отдаленно напоминают своих предшественников. Современные морские стены – это сложное гидротехническое сооружение из железобетона с глубоко заложенным фундаментом, многоступенчатым профилем и фигурным козырьком.
Рисунок 1. Вдоль бетонной волноотбойной стены пляж смыт, идет интенсивная абразия.
В результате работы стен происходит также размыв и сокращение ширины пляжа, то есть они способствуют быстрому исчезновению пляжей. Волна, накатывающая на пляж, постепенно теряет свою энергию, а при ударе о волноотбойную стену, особенно там, где пляж узкий и береговой обрыв приближен к урезу, со всей своей энергией, отражается от нее и с силой откатывается назад, размывая пляж. Исчезновение пляжей приводит к более интенсивному размыву подводного склона, а это, в свою очередь, ускоряет деформацию или опрокидывание стен. При подтачивании основания стен происходит их обрушение.
Идеологически строительство волноотбойных стен оправдывалось тем, что происходила замена пород, подверженных разрушительному воздействию волн, более прочным железобетоном. Как показала практика, такой подход не всегда оправдан. Причин здесь несколько.
Прежде всего, железобетон не способен длительное время сдерживать удары волн. На берегах с галечными наносами самые прочные стены выходят из строя через 10-15 лет, Причина в том, что на приглубых берегах сила гидродинамического удара волн составляет 30-40 тонн на квадратный метр, что существенно выше допустимых нагрузок на переднюю грань сооружений.
Рисунок 2. Без защиты пляжем волноотбойная стена подвергается воздействию волн.
Как показывает практика, возведение автономных берегозащитных стен способствует быстрому исчезновению пляжей. Дело в том, что при ударе о вертикальное препятствие прямой прибойный поток почти мгновенно трансформируется в обратный и увлекает за собой гальку и песок на глубину. При этом развивающиеся скорости водного потока могут в несколько раз превышать значения относительно условий отсутствия берегозащитной стены. Создаются условия более интенсивного размытия пляжа. Его деградация приводит к усилению эрозионных процессов на подводном склоне, а это, в свою очередь, ускоряет деформацию и даже опрокидывание стен.
Наличие вертикальной стенки в прибойной зоне может привести к увеличению природных скоростей водного потока в два-три раза.
Рисунок 3. Разрушение основания волноотбойной стены.
Волноломы.
Поиск более совершенных берегозащитных конструкций привел к появлению подводных волноломов. Первый такой волнолом был построен по инициативе инженера Е.Е. Катрана в 1933 году для защиты берега в бухте Ланжерон в районе Одессы. Он состоял из 17-ти тонных бетонных массивов, которые были уложены в одну линию на песчаное дно. Волнолом не имел фундамента (каменной постели) и поэтому просуществовал всего лишь несколько лет. К 1945 году от него не осталось и следа.Подводные волноломы, как следует из названия, призваны «ломать» волну, то есть принуждать ее разрушаться на некотором удалении от берега. Конструктивно они представляют собой обычные затопленные стенки вертикального или наклонного профиля. Волноломы могут быть закрепленными и подвижными, проницаемыми и непроницаемыми.
Иногда переднюю грань волнолома выполняют из рваного камня неправильной формы. Это способствует возникновению при обрушении волн турбулентных течений в воде. Такая макропористая конструкция рассредоточивает пик давления при ударе гребня. Одновременно ослабляется эффект гидростатической потери веса в воде, вследствие чего волна могла бы сдвигать отдельные элементы конструкции волнолома.
Важным качеством волноломов является возможность накопления под их защитой аккумулятивных формообразований в виде вытянутых в сторону волнолома отложенийпляжеобразующего материала – т.н. салиентов и томболо. Это позволяет с помощью одних только волноломов формировать бухтовые (серповидные) пляжи.
Рисунок 4. Создание и защита защемленных в виде бухт пляжей с помощью набросных волноломов.
Рисунок 5. Бухтовые пляжи, созданные с помощью прерывистых волноломов набросной конструкции (парк Аль-Мамзар, Дубай, ОАЭ).
Морские буны.
Буны –поперечные (нормально расположенные к береговой линии) сооружения для удержания пляжеобразующего материала из естественного вдольберегового потока наносов и сохранения естественного или искусственного пляжа в межбунных отсеках.Существует два основных вида бун – линейные и мысовидные. Линейные буны могут быть однорядные и двухрядные, свайные и из сборного железобетона, на колоннах-оболочках и из призматических блоков. Мысовидные буны отличаются от линейных тем, что образуют искусственную территорию, которая может быть использована в рекреационных или технических целях.
Рисунок 6. Франция. Типовое решение защиты протяженного участка берега бунной «гребенкой» из бетонных бун.
Основное назначение бун — накопление или удержание пляжных наносов в межбунных отсеках.
Буна — это активное берегозащитное сооружение, которое с одной стороны (наветренной) задерживает пляжеобразующие наносы, перемещаемые вдоль берега, а с другой (подветренной) вызывают низовой размыв. Тем самым нарушается природное равновесие. К тому же из-за размыва подветренных участков приходится продолжать строительство и растягивать участок берегозащиты, что приводит к увеличению антропогенной, инженерной нагрузки, к снижению устойчивости окружающих ландшафтов.
Буны нарушают естественные ландшафты морского побережья и с современных эстетических позиций их применение нежелательно. Наличие бун уже само по себе вносит существенное изменение в динамику береговой зоны. Прежде всего, они нарушают продольную структуру перемещения пляжевых и песчаных наносов, и поэтому подветренный берег почти всегда будет испытывать дефицит материала.
Правильно сконструированные буны могут замедлить и даже полностью прекратить движение пляжных наносов вдоль берега. В результате этого в межбунных отсеках накапливается пляж, который защищает берег от волн. Однако такое их действие имеет и отрицательный эффект. Защитные свойства бун имеют локальный характер – они способствуют накоплению пляжа и защите берега лишь там, где построены.
Рисунок 7. Одна буна (п. Дагомыс), перехватив вдольбереговой поток наносов, сформировала широкий пляж.
Рисунок 8. Современное состояние главной Приморской набережной г. Сочи.
Рисунки 9 и 10. Взаимодействие бун с волной привело к вымыванию пляжеобразующего материала мелких фракций.
На участкеберега от Туапсе до устья р. Псоу протяженностью 115 км построено 914 бун! Поскольку буны, так или иначе, препятствуют свободному перемещению гальки вдоль берега, то ее нужно отсыпать практически в каждый межбунный отсек. Невольно напрашивается вопрос: сколько же требуется подъездных путей для такой операции?
Рисунок 11. Берег, обезображенный бунами и потерявший своё рекреационное качество.
Например, в Сочи при разработке реализованных проектных решений по реконструкции набережной архитекторы использовали в своих предложениях отработанную гидротехниками методику расширения пляжей и образования искусственных территорий по линейной схеме (равномерное выдвижение береговой линии в море по протяженности набережной) с помощью традиционных для местных гидростроителей инженерных решений – линейных бун и волноломов из бетонных блоков-массивов. Такое решение не позволяло формировать разнообразный живописный ландшафт с высокими видеоэкологическими качествами.
Рисунок 12. Классическая архитектура курорта Сочи не сочетается с «классическим» методом берегозащиты.
2.2. Современные методы и технологии берегозащиты
Помимо линейной схемы берегозащиты и формирования пляжей и искусственных территорий существуют другие решения, отработанные на гидравлических моделях и нашедшие широкое применение за рубежом — бухтовые аккумулятивные формы, являющиеся аналогами природных. Существуют два вида бухт:
а) закрытые бухты, у которых внутренняя акватория соединена с морем узким проливом, что обеспечивает максимальную защиту берега внутренней акватории от волнового воздействия.
б) открытые бухты, акватория которых не отделена от моря, а ограничивающие бухту мысы выполняют двойную функцию — исключают возможность уноса пляжеобразующего материала и вызывают трансформацию подходящей волны, изменяя угол ее подхода к пляжу и обеспечивая саморегулирование и динамическую устойчивость пляжа по всему периметру бухты.
Рисунок 13. Франция. Марсель. Искусственные пляжи и территории сформированы методом строительства искусственных мысов утилизацией отвалов горной массы, полученной при строительстве тоннелей метро.
Такой метод защиты берега отвечает принципам «геоники», то есть максимальному соответствию гидротехнических сооружений существующим в природе элементов защиты от волнений.
Различные способы «естественной» защиты морских берегов в последние десятилетия довольно широко. Прерывистое крепление морских берегов начало внедряться в Испании, Франции и Италии еще в середине 60-х годов (Kraus, 1996).
Эффективность прерывистых волноломов определяется их способностью снижать энергию волн в заволноломном пространстве. В результате этого, между берегом и сооружением создаются волновая тень и происходит аккумуляция наносов. В одном случае образуется выступ или салиент, а в случае соединения аккумулятивной формы с берегом – перейма или томболо. Использование прерывистых волноломов позволяет добиться положительного эффекта в стабилизации пляжей на протяженных участках.
Рисунки 14 и 15. Формирование бухтовых пляжей естественным потоком наносов под защитой возведенных прерывистых волноломов. Хорошо виден порядок формирования салиентов и томболо.
Рисунок 16. Искусственно отсыпанный пляжеобразующий материал под защитой прерывистого волнолома и воздействием волнения сформировал бухтовый динамически устойчивый пляж рекреационного качества.
Аналогичные принципы защиты берега реализуется при отсыпке искусственных островов. Параллельно при этом решается задача создания новых отвоеванных у моря территорий. Этот способ обычно применяется для участков побережья, где по тем или иным причинам строительство сооружений курортного комплекса на берегу ограничено.
Рисунок 17. Формирование локальной рекреационной пляжной зоны с помощью точечных искусственных островов, соединенных с искусственным мысом волноломами и последующей отсыпкой пляжеобразующего материала. Окинава, Япония.
Рисунок 18. Морской ландшафтно-рекреационный комплекс островного типа – предложение ООО АБ «ГОР-ПРОЕКТ»