Диссертация (Повышение водообеспеченности сельскохозяйственных объектов на основе превентивных мероприятий, обеспечивающих устойчивость низконапорных грунтовых плотин центральной Якутии)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшегообразования «Омский государственный аграрный университетимени П.А. Столыпина»На правах рукописиЛОСКИН МИХАИЛ ИВАНОВИЧПОВЫШЕНИЕ ВОДООБЕСПЕЧЕННОСТИСЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕПРЕВЕНТИВНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХУСТОЙЧИВОСТЬ НИЗКОНАПОРНЫХ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИНЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИспециальность 06.01.02 – «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:Кныш Андрей Иванович,кандидат сельскохозяйственных наук,доцентОмск – 20192ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………..5ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ …………………………………………………………12ГЛАВА 1.

ПРОБЛЕМЫ ВОДООБЕСПЕЧЕННОСТИ ОБЪЕКТОВСЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЦЕНТРАЛЬНОЙЯКУТИИ ……………………………………………………………………....1.1.Существующая система эксплуатации гидротехническихсооружений объектов сельскохозяйственного водоснабжения …....1.2.1.4.12Современное состояние гидротехнических сооружений объектовсельскохозяйственного водоснабжения ……………………………...1.3.1215Обоснование необходимости проведения геокриологическихисследований гидротехнических сооружений……………………....23Выводы по главе……………………………………………………….24ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ ЦЕНТРАЛЬНОЙЯКУТИИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ИНЖЕНЕРНЫЕГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ.….……………………………...262.1.Природно-климатические и геокриологические условия…………..262.2.Влияние естественных природных условий на инженерныегидротехнические сооружения ……………………………………………...332.3.

Методика проведения геокриологических исследований…………….452.4. Выводы по главе…………………………………………………............52ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ НИЗКОНАПОРНЫХ ПЛОТИН……………….543.1. Исследование геокриологических условий гидроузла КуогалыЧурапчинского района ………………………………………………………543.2.

Исследование геокриологических условий гидроузла Матта Горногорайона………………………………………………………………………….713.3. Выводы по главе………………………………………………….............82ГЛАВА 4. ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ НИЗКОНАПОРНЫХГРУНТОВЫХ ПЛОТИН ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ …………………….8334.1. Совершенствование методов повышения устойчивостинизконапорных грунтовых плотин путем предзимнего понижения уровняводы в водохранилище (на примере водохранилища Чурапча РеспубликиСаха (Якутия))…………………………………………………………………854.1.1. Способ превентивной защиты гидротехнических сооруженийпутем предзимнего понижения уровня воды в водохранилище…………..904.2. Совершенствование методов повышения устойчивостигидротехнических сооружений путем устройства превентивной защитыоткосов верхнего бьефа низконапорных насыпных грунтовых плотин отземлеройных животных……………………………………………………...924.2.1.

Устройство превентивной защиты откосов верхнего бьефанизконапорных насыпных грунтовых плотин от землеройныхживотных……………………………………………………………………..954.3. Регламент превентивных мероприятий по повышению надежности ибезопасности низконапорных гидротехнических сооружений (на примереГБУ «Управление по мелиорации земель и сельскохозяйственномуводоснабжению» Министерства сельского хозяйства Республики Саха(Якутия))……………………………………………………………………….964.4.

Выводы по главе………………………………………………………....100ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВИССЛЕДОВАНИЙ…………………………………………………………….1025.1. Обоснование показателей экономической эффективностипревентивных мероприятий при предзимнем понижении уровня воды вводохранилище …………….............................................................................1045.2. Обоснование показателей экономической эффективности устройствапревентивной защиты откосов верхнего бьефа низконапорных насыпныхгрунтовых плотин от землеройных животных………………………………1115.3.

Результаты расчета эколого – экономической эффективностипревентивных мероприятий повышения надежности ГТС ……………….1135.4. Выводы по главе………………………………………………………….1164ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….117ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ………………………………………..120СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………….121Приложение А. Решение о выдаче патента…………………………………135Приложение Б. Методическое пособие «Регламент превентивныхмероприятий по повышению надежности и безопасности низконапорныхГТС»……………………………………………………………………………141Приложение В.

Акты внедрения……………………………………………..1425ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследований. Основным условием стабильногоразвитияжизнедеятельностисельскохозяйственногосельскихпроизводстванаселѐнныхявляетсяналичие,пунктовисохранениеиэффективное использование водных ресурсов. В Центральной Якутии, гдепроживают 200 тысяч человек, имеется 34 тысячи гектаров посевных площадей,содержатся 120 тысяч голов крупного рогатого скота и 115 тысяч лошадей,наблюдается острый дефицит водных ресурсов, что является сдерживающимфактором развития сельскохозяйственного производства.

Планомерные работы порешению этой острой проблемы начались в 70–80-е годы ХХ-го столетия путеморганизации единой системы гидротехнических сооружений вдоль малых рек,повышающих водообеспеченность региона.Значительное потепление климата привело к повышению температурывоздуха в центральной Якутии более чем на 2,5°С за последние 30 лет.Существенные изменения климата в последние годы привели к заметномуувеличению наполнения водохранилищ, а также изменению мерзлотногосостояния тел и оснований грунтовых насыпных плотин.

При проектированиивсех гидротехнических сооружений (ГТС) применялся принцип, основанный насохранении при их строительстве и эксплуатации грунтов основания в мерзломсостоянии. Этот принцип в условиях потепления климата нарушается, чтоснижает надежность и устойчивость низконапорных грунтовых плотин, которыеиспытывают не только общеклиматический, но и техногенный прессинг,обусловленный дополнительными водно-тепловыми нагрузками от водохранилищ(Чжан Р.В., 2014).По итогам инвентаризации 2010 г. в Реестр государственного имуществаРеспубликиСахаводоснабжения.(Якутия)Состояниевнесен191большинстваобъектГТСпосельскохозяйственногоитогамкомплексногообследования 2018 года признано неудовлетворительным, что обусловлено,наряду с физическим износом, изменением природно-климатических условий.6Состояние объектов по итогам проведенных обследований требует неотложногопроведения ремонтных и восстановительных работ, а также внедрения новыхподходов и превентивных мер по обеспечению безопасной эксплуатации объектовсельскохозяйственноговодоснабженияиповышениюводообеспеченноститерриторий.Проблемебезопаснойэксплуатациигидротехническихсооруженийпосвящены работы отечественных и зарубежных ученых: В.

Н. Щедрин, Ю. М.Косиченко, Д. В. Бакланова, О. А. Баев, Е. Д. Михайлов, 2016; И. Ф. Юрченко, Н.П. Карпенко, 2017; М. А. Бандурин, 2017; Е. В. Васильева, 2017; Д. Д. Брэдлоу,2003; F. J. Colomer, 2009; C. AndrewDay, 2016; A. Mouyeaux, 2018, и другие.Однако, тенденция роста количества возникающих стихийных бедствий наобъектахсельскохозяйственноговодоснабжениявпоследниегоды,обусловленных деградацией вечной мерзлоты и изменением гидрологическихрежимов малых рек (Лоскин М.И., 2018), определяет необходимость разработкикомплексапревентивныхустойчивостимероприятий,обеспечивающихнизконапорных грунтовых плотинсучетомповышениеособенностейЦентральной Якутии.Степень разработанности темы. Проблемные вопросы обеспечениясельских населенных пунктов Центральной Якутии технической водой, путирешения этих вопросов за счет использования естественных стоков малых рек, атакже перекачки воды из реки Лены магистральным трубопроводом освещены вработе Е.

Г. Егорова, М. М. Никифорова, И. Г. Гаврильева (2014). Наиболеефундаментальныеисследованиявопросовэксплуатациинизконапорныхгидроузлов в криолитозоне изложены в монографиях Р. В. Чжан (2000, 2002).Авторомпредложеныразныеспособыобеспеченияустойчивостигидротехнических сооружений путем регулирования теплового режима тела иоснования сооружений, такие как формирование ледогрунтового ядра в телеплотин за счет как естественного промерзания грунтов, так и в результатеискусственного их промораживания; армирование грунтов, покрытие плотин7тепловлагоизоляционным и крупнозернистым материалом, а также другиемероприятия.Вопросывлияниятемпературногорежимаводохранилищнагидротехнические сооружения, требования к эксплуатации сооружений вусловиях Севера отражены в работах С. А.

Фрида, Д. П. Левених (1978), Г. Ф.Биянова (1983), Г. Ф. Биянова, О. А. Когодовского, В. И. Макарова (1989), Р. В.Чжан (2000, 2002), Р. В. Чжан, Г. И. Кузнецова и др. (2012), М. И. Лоскина (2017),И. И. Сыромятникова, С. П. Готовцева, М. И. Лоскина (2017).Несмотрянаотносительнуюизученностьвопросовбезопаснойэксплуатации гидротехнических сооружений в условиях Севера, изменениеприродно-климатических условий Центральной Якутии в последние годы,повлекшее изменение гидрологического режима малых рек, переполнениеводохранилищ, мерзлотного состояния тел и основания грунтовых насыпныхплотин требует разработки эффективных мероприятий по превентивной защитенизконапорных гидротехнических сооружений и является актуальной задачей.Цельисследованийсельскохозяйственного–повышениеводоснабжениянаводообеспеченностиосновепроведенияобъектовкомплексапревентивных мероприятий, обеспечивающих устойчивость низконапорныхгрунтовых плотин Центральной Якутии в условиях потепления климата.Для реализации цели поставлены и решены следующие задачи:- оценить водообеспеченность сельскохозяйственных объектов ЦентральнойЯкутии;- охарактеризовать состояние гидротехнических сооружений объектовсельскохозяйственного водоснабжения и выполнить их типизацию;- выявить основные природные и антропогенные факторы, снижающиеустойчивость и безопасность низконапорных грунтовых плотин;-провестинатурныеобследованиягидротехническихсооружений,построенных на вечномерзлых грунтах и геокриологические исследования породоснований плотин;8- предложить способ превентивной защиты низконапорных грунтовыхплотин путем предзимнего понижения уровня воды в водохранилище;- разработать техническое решение по защите откосов верхнего бьефанизконапорных насыпных грунтовых плотин от землеройных животных;- разработать рекомендации по организации превентивных мероприятий дляповышенияустойчивостиибезопасностисооруженийпридальнейшейэксплуатации объектов;- оценить эффективность предложенных мероприятий и предотвращенныйэколого-экономический ущерб от гидродинамических аварий.Научная новизна проведѐнных исследований.

На основании анализасовременногосостоянияобъектовсельскохозяйственноговодоснабженияЦентральной Якутии и проведенных исследований:–установленогеокриологическиеотрицательноевлияниепотепленияклиматанаусловия оснований низконапорных грунтовых плотин,построенных на вечномерзлых грунтах;- выявлены закономерности снижения устойчивости основания грунтовыхплотин в зависимости от мощности сезонно-талого слоя;– предложен способ превентивной защиты низконапорных грунтовыхплотинпутемпредзимнегопониженияуровняводывводохранилище,обеспечивающего уменьшение слоя оттаивания грунтов коренного ложа плотины;– разработано устройство превентивной защиты откосов верхнего бьефанизконапорных насыпных грунтовых плотин от землеройных животных,предотвращающее формирование полостей в теле плотины, приводящих к ееразмыву;– разработаны рекомендации по организации превентивных мероприятийдля повышения устойчивости и безопасности сооружений при дальнейшейэксплуатации объектов сельскохозяйственного водоснабжения ЦентральнойЯкутии с целью повышения водообеспеченности региона.Положения, выносимые на защиту:9–закономерности снижения устойчивости основания грунтовых плотин взависимостиотувеличениямощностисезонно-талогослоявусловияхрегионального изменения климата;- комплекс превентивных мероприятий по повышению надежности ибезопасности гидротехнических объектов сельскохозяйственного назначения,построенных на вечномерзлых грунтах, включающий способ предзимнегопонижения уровня воды в водохранилище и устройство защиты откосов верхнегобьефа грунтовых плотин от землеройных животных;- рекомендации по организации превентивных мероприятий для повышенияустойчивости и безопасности сооружений при дальнейшей эксплуатацииобъектов сельскохозяйственного водоснабжения Центральной Якутии с цельюповышения водообеспеченности региона.Теоретическаяпроведенныхипрактическаяисследованийвыявленызначимостьработы.закономерностиНаувеличенияосновеслояоттаивания мерзлотных грунтов коренного ложа плотин от повышениятемпературы воздуха и суммы осадков, приводящих к увеличению водной массыв водохранилищах.