Общая активизация абразии и размыва пляжей, обвально-оползневых процессов и затопления низменных прибрежных территорий при нагонах влечет за собой разрушение объектов промышленности и транспорта, жилых и общественных зданий, сооружений курортного комплекса, коммуникаций, ценных сельхозугодий и др. Процессы абразии, размыва и аккумуляции играют ведущую роль в развитии морских побережий. Берегозащитные мероприятия следует разрабатывать с учетом местных условий динамики и развития морских берегов, как правило, в пределах литодинамических систем или ячеек.
На многих участках побережий пляжи, как правило, отсутствуют или их ширина недостаточна для гашения волн расчетных параметров. Значительная часть построенных и эксплуатируемых берегозащитных и пляжеудерживающих сооружений требует срочных ремонтно-восстановительных работ.
Организация систем инженерной защиты территорий каждой литодинамической системы от воздействий опасных процессов вызывается необходимостью сведения к минимуму величин экономического, экологического и социального ущербов при недопущении морального ущерба, сопровождаемого гибелью населения. Указанные мероприятия должны предотвратить, например, такие наиболее часто встречающиеся и ущербные процессы, как: абразионное разрушение берегов морей, ветро-волновые нагоны, проявления оползней, обвалов, подтопление, ухудшение экологического состояния среды жизнедеятельности человека и некоторых других.
Главными условиями в организации мероприятий защиты является:
- комплексность проектируемых и строящихся сооружений инженерной защиты, их достаточность;
- исключение стандартного типового набора и отбора только тех мероприятий, которые соответствуют инженерно-геологическим условиям защищаемых территорий;
- научная обоснованность и экономико-социальная рентабельность выбранного набора мероприятий защиты.
При этом необходимо учитывать особенности развития опасных процессов, а главное — последствия от их проявления.
Обоснование и выбор составляющих системы защиты базируется на анализе:
- инженерно-геологических особенностей территорий каждой литодинамической системы с развитием опасных процессов;
- эффективности ранее построенных и эксплуатируемых здесь сооружений защиты;
- наличия относительно устойчивых участков.
В современной теории инженерной защиты эти требования входят в состав принципа природных аналогов или сравнительно-геологического анализа. Его соблюдение является научным обоснованием для выбора из стандартного типового набора (комплекса) мероприятий защиты наиболее экономичных, отвечающих природным особенностям защищаемой территории.
Необходимость организации инженерной защиты обосновывается результатами прогнозов изменения основных компонентов природно-техногенной среды в пределах литодинамических систем после постройки защитных сооружений и оценки риска социально-экономического и экологического ущербов при их отсутствии (ОВОС). Выполнение данного требования подразумевает соблюдение принципа предсказуемости величин отмеченных ущербов. В зависимости от их значений, возможны ситуации отказа или полного запрета строительства и размещения любых (или определенных) видов капитальных зданий и сооружений в пределах осваиваемых прибрежных территорий.
Учет принципа предсказуемости одновременно означает соблюдение принципа ограничения контакта населения с участками прогнозируемого проявления опасных процессов. Площади этих участков определяются особенностями динамики развития опасных процессов. Для их определения следует построить карту типизации опасных процессов в пределах территорий литодинамических систем с выделением участков, где имеют место:
- сходные природные, природно-техногенные и техногенные условия формирования, развития и активизации опасных процессов;
- близкие по значению показатели интенсивности проявления опасных природных и природно-техногенных процессов и вызванных ими ущербов (экономических, экологических, социальных);
- установление парагенетического ряда имеющихся процессов и основного процесса из этого ряда.
Площади для каждого из указанных участков устанавливаются индивидуально. С учетом изложенного, ограничение для капитального строительства или индивидуального жилищного строительства распространяется на участки развития опасных процессов. На карте типизации должны быть показаны зоны разной степени опасности (риска) освоения участков с разной вероятностью проявления одного или нескольких процессов.
Следовательно, виды освоения территорий с проявлениями опасных процессов, плотность размещения населенных пунктов на этих территориях устанавливаются с учетом пространственного размещения зон опасностей. Это составляет содержание принципа дифференцированного и зонного освоения указанных территорий.
Он подразумевает также учет плотности населения и вид хозяйственного использования территории. Участки разного вида строительного освоения, реконструкции зданий и сооружений, сельскохозяйственного, природоохранного использования территорий должны чередоваться с парковыми участками. Целью такого чередования является оптимизация техногенных нагрузок на природную среду, максимально полное использование ее ресурсов, сохранение и поддержание природного равновесия защищаемой территории. Подобный вид освоения территорий, включая решения об организации инженерной защиты, отвечает принципу рационального размещения объектов.
Планировочная организация социально-экономической инфраструктуры осваиваемых прибрежных территорий, включая размещение рекреационных комплексов, производственных объектов, населенных пунктов, будут эффективными, если они «вписаны» в природную среду с минимальным нарушением ее сложившихся инженерно-геологических условий. Таким образом, при сохранении этих условий и с учетом одновременного сокращения защитных сооружений внедряется принцип безаварийного устойчивого развития инфраструктуры.
Планировочная организация социально-экономической инфраструктуры должна исходить из необходимости приспособления строительных объектов и сооружений защиты к природной среде, их полной гармонии со средой без нарушения установившегося равновесия гидрогеологического, гидрохимического, гидрологического (и иных) режимов среды. То есть, проектирование и строительство защитных сооружений ведется в пределах целостных природных литодинамических систем, которые в новейший и современный этапы имели одинаковые тектонический, климатический, гидрологический (и иные) режимы своего развития и преобразования.
Участки, ландшафты которых имеют уникальную биологическую и эстетическую ценность, характеризуются благоприятными условиями для воспроизводства составляющих баланса биоты, занесенной в «красную книгу», а также участки проявления опасных процессов, защита которых экономически не эффективна, целесообразно использовать в качестве государственных заповедников, заказников, охранных территорий со строго заданным статусом их использования. Это составляет содержание принципа сохранения эколого-геологического равновесия и целостности защищаемой территории.
Экономическая не рентабельность, как правило, объясняется выполнением лишних, научно необоснованных, видов мероприятий инженерной защиты. Этот принцип подразумевает также отказ от быстрых крупномасштабных изменений режимов развития опасных процессов в пределах осваиваемых территорий. Следует применять к внедрению такие проекты, к которым успевают «приспособиться» существующие экосистемы. Следовательно, защитные мероприятия должны обеспечить сохранение структуры и отдельных составляющих экологического баланса территорий, их устойчивого развития.
Соблюдение принципа научного обоснования выбора оптимальной площади защищаемой территории, отбора ущербных опасных процессов, их факторов-процессов предполагает знание регионально-геологических, зонально-климатических и местных закономерностей условий формирования, активизации и проявления опасных процессов. Окончательный выбор защищаемых процессов производится избирательно в зависимости от необходимости, имеющихся условий и возможностей (принцип планировочных ограничений). Защитные сооружения должны охватывать целостные литодинамические системы — структурные блоки с одинаковыми режимами развития в плиоцен-четвертичное время. Эти системы характеризуются определенным набором типов опасных процессов, имеют автономный режим динамики их развития. Локальный подход к защите одного процесса, без учета других процессов его парагенетического ряда, является не эффективным и вызывает, как правило, активизацию других процессов из этого ряда.
Принцип использования в защите местных ресурсов и многофункциональности сооружений защиты подразумевает:
- наличие, виды, запасы строительных материалов и природных ресурсов;
- результаты исследования дифференциации процессов в пределах их парагенетического их ряда.
Защитные сооружения проектируются с учетом их совмещения в различных эксплуатационных функциях (защитных и транспортных, рекреационных, культурно-эстетических, спортивных и др.) с применением способов производства работ, сохраняющих красоту природного ландшафта, исторических памятников и т.п.
Соблюдение архитектурно-эстетического принципа к сооружениям защиты основано на таких основных положениях:
- приоритете природных или искусственно созданных участков территории без каких-либо сооружений защиты в них;
- предпочтении сооружениям, занимающих минимальный процент площади защищаемой территории, не ухудшающих красоту природного ландшафта и вид на памятники архитектуры и заповедные зоны.
Учет изложенного является соблюдением принципа природного равновесия и отказа от пассивных методов защиты, заменяя их активными методами защиты. При этом эти сооружения должны способствовать «гашению» природных и техногенных факторов, активизирующих развитие и проявление опасных процессов.
Принцип рекультивации земель прибрежных территорий в пределах участков интенсивного развития опасных процессов и недопущения эстетического загрязнения ландшафта является составной частью инженерной защиты. В пределах урбанизированных и рекреационных территорий особую остроту приобретают недопущение загрязнения поверхностных, подземных и морских вод, почв, пород, атмосферы продуктами биохимического разложения отходов жизнедеятельности проживающего населения. Это означает соблюдение принципа инженерно-экологического обоснования безопасности природно-техногенной среды прибрежных территорий. Данный принцип в настоящее время приобрел особое значение в связи с огромными экологическими и социально-экономическими ущербами, которые наносят загрязнение отмеченных выше компонентов среды. Учет данных особенностей в мероприятиях защиты означает соблюдение принципа безопасности здоровья населения данных территорий.
Для прибрежных морских территорий со значительным рекреационным потенциалом, с учетом тенденции его расширения и градостроительного использования побережья, развития в их пределах процессов абразии, склоновых гравитационных процессов основным принципом берегозащиты побережья является создание (восстановление) волногасящих пляжей по всей длине абразионных берегов, вскрывающих коренные породы, и отдельных прикорневых участков кос и пересыпей. Искусственные свободные пляжи являются аналогами природных. Они обеспечивают защиту берега от абразии, создают условия для оздоровительных и лечебных целей и отвечают требованиям принципа охраны биологической и гидрологической среды прибрежной полосы.
Искусственные пляжи во времени и по длине защищаемого абразионного участка берега изменяют объем пляжного материала под воздействием волнений и течений. В долгосрочной программе восстановления пляжей следует предусматривать искусственное изменение баланса наносов посредством отсыпок пляжеобразующего материала и уменьшение расходных статей. Период службы искусственных пляжей зависит от объема первоначальной отсыпки (или намыва) пляжеобразующего материала заданной крупности, от частоты и объемов последующих их пополнений. Данные параметры для каждой литодинамической системы задаются по результатам стационарных наблюдений за морфодинамикой береговой зоны, что означает соблюдение принципа ведения морского мониторинга. По результатам наблюдений устанавливается:
- количество пляжевого материала, достаточного для образования профиля динамического равновесия;
- величина его ежегодных потерь за счет вдольберегового уноса, выноса на глубины, истирания;
- объем наносов, необходимых для образования строительного профиля искусственного свободного пляжа в плане на его верховом и низовом участках.
Ведение аналогичных систем мониторинга должны быть предусмотрены для всех процессов в пределах осваиваемых и защищаемых территорий. При проектировании защитных сооружений следует соблюдать принцип уменьшения объемов и стоимости защитных мероприятий. Соблюдение этого принципа возможно осуществить посредством использования комбинированного метода защиты.
Принцип поэтапного производства защитных работ предусматривает создание полосы общего пользования — зеленые насаждения, набережные, бульвары, скверы и спортплощадки. Заканчивая изложение основных принципов проектирования защитных мероприятий, необходимо отметить, что любое вмешательство в природные и природно-техногенные экзогенные процессы должно следовать принципу — не навреди природе осваиваемой территории. Защитные мероприятия применяются только для участков, стоимость земли которых выше затрат на защиту. В хозяйственной деятельности в пределах развития данных процессов надлежит научиться управлять этими процессами, а не бороться с ними, формируя стратегию взаимодействия человека и процессов.
Основными проблемами существующих и проектируемых берегозащитных сооружений являются:
- защита участков побережья и расположенных на нем строений от разрушающего воздействия волн;
- защита прибрежных территорий от затопления и подтопления;
- благоустройство прибрежных территорий.
Оценка эффективности предлагаемых проектных разработок по берегозащите побережья представляет значительную трудность из-за малой изученности и большой сложности явлений, имеющих место в процессе взаимодействия волн с берегозащитными сооружениями. Поэтому получение строгих теоретических решений по этим вопросам представляется затруднительным. Наиболее надежным методом решения поставленной задачи является инженерный комплексный метод, включающий теоретические и экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования (гидравлическое моделирование) предлагаемых проектных решений проводились Черноморским отделением ЦНИИС по морским берегозащитным сооружениям. В процессе исследований были рассмотрены следующие конструктивные решения берегозащитных сооружений:
- проницаемые конструкции с волновой камерой из железобетонных плит;
- берегозащитные сооружения в виде каменной наброски;
- берегозащитные сооружения в виде вертикальной железобетонной стенки;
- берегозащитные сооружения откосно-ступенчатого профиля;
- берегозащитные сооружения в виде волноломов;
- свободный искусственный волногасящий пляж.
Экспериментально-теоретические исследования эффективности берегозащитных мероприятий осуществлялись путем изучения гидродинамических характеристик в самой конструкции сооружения и перед ней при различных способах берегозащиты. В основу методики теоретических исследований положена так называемая теория «мелкой воды», правомерность использования которой в настоящее время признана во всем мире для расчетов различных гидравлических явлений, в том числе и волн в прибрежной зоне. Математические модели расчетов на персональных компьютерах волновых воздействий и нагрузок на берегозащитные сооружения проницаемой конструкции необходимо разрабатывать как в линейной, так и в нелинейной постановке.
Сооружения в виде свободных искусственных пляжей являются наилучшими гасителями волновой энергии. В спокойный период, при отсутствии волнения, искусственные песчаные пляжи служат зонами рекреации для населения городов и естественными фильтрами для прибрежных морских зон. Теория перемещения наносов на наклонном дне была создана П. Корнальи (1881) и впоследствии наиболее полно разработана профессором В.П. Зенковичем. Выбор основных направлений инженерной защиты берегов необходимо базировать на тщательном изучении природных условий, перспектив хозяйственного и рекреационного использования береговой полосы, на учете требований охраны окружающей среды и экономических показателей. Под природными условиями следует понимать гидрологический и гидродинамический режим моря, геолого-морфологическое строение берегов, а также степень хозяйственного освоения береговой полосы, перспективы ее развития и др.
Разработке инженерных решений должны предшествовать прогнозные оценки развития берега в сложившихся природно-техногенных условиях и после проведения берегозащитных мероприятий. Для решения этой проблемы требуются постановка специальных исследований в натуре, а также широкое использование при проектировании методов математического, компьютерного и гидравлического моделирования. Следует особо отметить, что реализация любых программных мероприятий по защите морских берегов предполагает создание соответствующей производственной базы, в частности, карьеров пляжеобразующего материала достаточной мощности, транспортных средств наземного и морского базирования, специализированной техники и т.п. Без решения этих вопросов даже самые совершенные программы не приведут к успешному решению проблемы берегозащиты.
Анализ современного состояния берегов свидетельствует в пользу проведения крупномасштабных берегозащитных и природоохранных мероприятий. Главной и первоочередной их проблемой является восстановление, расширение и стабилизация существующих и создание новых пляжей.
Оценка и прогноз социальных, экономических и экологических условий побережий морей позволяет рекомендовать следующие основные концептуальные основы инженерной защиты побережья, которыми следует руководствоваться при проектировании как неотложных, так и последующих защитных мероприятий:
- неотложные берегозащитные мероприятия должны предусматриваться для участков побережий, в пределах которых уже зафиксированы или в ближайшие 3-5 лет ожидаются наибольшие потери в социальной, экономической и экологической сферах. Основными обосновывающими документами для отнесения мероприятий к неотложным и определения очередности их осуществления принимаются карты социально-экономического риска;
- для проектируемых сооружений следует предусматривать возможность выполнения ими помимо защитных и иных требуемых для данной территории функций, также транспортных, рекреационных, культурно-эстетических и др. (принцип многофункциональности защиты). Недопустимы проектные решения, «отрезающие» население от моря, практически исключающие или затрудняющие рекреационное использование побережий;
- в связи со значительной стоимостью берегозащитных мероприятий их функциональная эффективность должна достигаться наименьшими материальными затратами и наименьшим отрицательным воздействием на прибрежные территории (принцип экономической эффективности).
Принципиально новым направлением берегозащитных работ на Черноморском побережье является образование искусственной береговой полосы путем засыпки мелководной акватории моря материалом от срезки береговых обрывов. Первая экспериментальная очередь такого проекта выполнена для курорта Анапа. Длина береговой полосы с галечным пляжем составила 2,5 км при средней ширине 60-80м. Подобные решения являются весьма перспективными для других участков побережья, где высокие обрывы выходят непосредственно к морю, а пляжи не могут быть образованы естественным путем.