Морские гидротехнические сооружения

К.Н. Макаров

МОРСКИЕ 
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ 

Учебное пособие 
для магистрантов по направлению обучения 
 «Строительство»  
и аспирантов – «Техника и технологии строительства» 

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
2021

УДК 627.4/.5 
ББК  39.411 
М15 

Рецензенты: 
доктор техн. наук, профессор 
Сочинского государственного университета 
В.П. Ткаченко 
канд. техн. наук, директор НИЦ «Морские берега» 
(филиал ОАО ЦНИИС) 
Р.М. Тлявлин 

Макаров К.Н.  
Морские гидротехнические сооружения: учебное пособие / К.Н.
Макаров. — Москва : ФЛИНТА, 2021. — 270 с. — ISBN 978-5-9765-4762-9. 
— Текст : электронный.

Рассмотрены морские портовые и берегозащитные сооружения, а также 
искусственные 
острова. 
Классифицированы 
морские 
гидротехнические 
сооружения по назначению и классам ответственности. 
Проанализированы конструкции портовых оградительных и причальных 
сооружений. Кратко описаны судоходные каналы. 
Как основной тип берегозащитных сооружений представлены искусственные 
пляжи: свободные и в комплексе с пляжеудерживающими сооружениями. 
Предназначено для магистрантов по направлению 08.04.01 «Строительство» 
и аспирантов – 08.06.01 «Техника и технологии строительства». Может быть 
полезно специалистам в области портового строительства, инженерной защиты 
морских берегов, управления береговыми процессами, экологам. 

УДК 627.4/.5 
ББК  39.411 

© ФГБОУ ВО «СГУ», 2018 
© Макаров К.Н., 2018 

ISBN 978-5-9765-4762-9

М15

ПРЕДИСЛОВИЕ

Морские гидротехнические сооружения (ГТС) являются одним из 

основных видов инженерных сооружений, возводимых в прибрежных 
зонах морей.

Наиболее распространенными из них являются портовые (к которым 

относятся также яхтные гавани) и берегозащитные сооружения. Однако
наряду с ними можно отметить водовыпуски сточных вод, магистральные 
трубопроводы, сооружения для добычи полезных ископаемых.

В учебном пособии рассматриваются портовые и берегозащитные 

сооружения, включая искусственные острова.

Портовые сооружения, в свою очередь, делятся на оградительные, 

причальные, судоходные каналы, сооружения навигационной обстановки.

Основным 
видом 
берегозащитных
сооружений 
являются 

искусственные пляжи, которые могут быть свободными или в комплексе с 
пляжеудерживающми сооружениями. Последние делятся на поперечные 
(буны) и продольные (волноломы, волнозащитные стены, подводные 
банкеты). Кроме того, для защиты берегов применяются набросные 
сооружения в виде берм из камня, обыкновенных или фигурных бетонных 
блоков.

Искусственные острова являются специфическим видом морских ГТС 

в прибрежных зонах. Их проектирование пока не регламентировано 
нормативными документами.

При проектировании морских ГТС необходимо учитывать нагрузки и 

воздействия на них от факторов природной среды: колебания уровня моря, 
волны, течения, ледовые воздействия. 

Важным фактором природных воздействий является транспорт 

наносов, который обусловливает заносимость акваторий причалов и 
судоходных каналов, устойчивость берегов, образование аккумулятивных 
форм или участков размыва дна и берегов. Поэтому в учебном пособии 
приводятся методы расчета указанных природных воздействий. При этом 
наряду с нормативными методами, рассматриваются новые, разработанные 
на кафедре Строительства СГУ и в других организациях.

Пособие предназначено для студентов, магистрантов и аспирантов 

строительных и гидротехнических специальностей вузов, специалистов в 
области портового строительства, инженерной защиты морских берегов и 
управления береговыми процессами, экологов.

1. БЕРЕГОВАЯ ЗОНА МОРЯ КАК ЭЛЕМЕНТ 

ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ

1.1. Общие сведения

Взаимодействие человеческого
общества с
окружающей средой 

протекает в пределах географической оболочки Земли, под которой 
подразумевается сложная саморазвивающаяся природная система. Ее 
составными частями являются литосфера, тропосфера, гидросфера и 
биосфера. 

Береговая зона моря является пограничной зоной между гидросферой 

и литосферой. В ней происходят сложные процессы взаимодействия суши 
и моря, заключающиеся в механическом перемещении твердого и жидкого 
вещества, а также в различных химических превращениях. В результате 
этого взаимодействия, как в исторический период, так и в настоящее время 
возникают своеобразные формы рельефа, происходит эволюция их 
строения и изменение вещественного состава.

Более узко под береговой зоной моря принято понимать отдельный 

природный элемент,
являющийся частью литосферы, на котором 

расположены формы рельефа, созданные работой волн при современном 
уровне моря. 

Единым процессом, объединяющим движение вещества в береговой 

зоне, является процесс возникновения, трансформации и диссипации 
механической энергии прибрежных вод. Следовательно, пространственное 
развитие береговой зоны ограничивается областью трансформации 
энергии взволнованной поверхности жидкости при ее взаимодействии с 
твердым веществом литосферы. 

Границы береговой зоны определяются по морфологическим и 

динамическим признакам. Верхней морфологической границей береговой 
зоны служат формы рельефа, созданные прибойным потоком при его 
взаимодействии с сушей. Динамически верхняя граница береговой зоны 
определяется по высшей точке линии проникновения массы движущейся 
воды на отрезок суши, расположенный выше уреза воды (верхняя граница 
наката волн). Нижняя граница береговой зоны определяется способностью 
штормового волнения однонаправленно перемещать донные наносы и 
соответствует глубине, равной примерно половине длины максимальной 
штормовой волны. В зависимости от волновых условий она лежит на 
глубинах от 15 до 100 м. На нижней границе береговой зоны 
рельефообразующий эффект динамических факторов практически не 
проявляется (за исключением действия приливо-отливных течений).

Видимой границей раздела суши и моря в береговой зоне является 

береговая линия, определяемая по среднемноголетнему уровню моря. Эта 
граница делит береговую зону на две основных части: берег и подводный 
береговой склон. Берег – это полоса суши, рельеф которой сформирован 

морем при данном его уровне. Ниже берега расположен подводный 
береговой склон, или прилегающая к берегу полоса дна, в пределах 
которой происходит размыв, перемещение и аккумуляция наносов. На 
берегу можно выделить зону наката волн, периодически заливаемую водой 
при штормовом волнении. Кроме того, может выделяться зона подтопления 
суши приливо-отливными колебаниями уровня и ветровыми нагонами,
например – известные катастрофические наводнения в С.-Петербурге.

Взаимодействие волн и течений с берегами и дном моря приводит в 

одних случаях к размыву и отступанию берега в сторону суши, в других –
к намыву и выдвижению берега в сторону моря. В первом случае берег 
называют абразионным, во втором – аккумулятивным. В случае, если 
нет ни абразии, ни аккумуляции, берег называют транзитным. Береговая 
абразия приводит к образованию и разрушению надводных форм рельефа: 
клифа (берегового уступа) и бенча.

Клиф – вертикальная стена из трудноразмываемых коренных пород 

берега, 
образованная 
в 
результате 
прямого 
ударного 
волнового 

воздействия.

Бенч – пологая наклоненная в сторону моря поверхность размыва 

коренных пород, распространяющаяся от подножия клифа под уровень 
моря. Кроме указанных основных форм рельефа, к абразионным относятся 
также абразионные террасы, волноприбойные ниши и эрозионные желоба.

Донная абразия проявляется главным образом в трансформации 

профиля подводного берегового склона до глубин порядка 1/4–1/6 длины 
штормовых волн. На берегах Черного моря донная абразия ограничивается 
практически изобатой 15 м.

Аккумуляция 
наносов 
в 
прибрежной 
зоне 
и 
образование 

аккумулятивных форм берега происходят в основном за счет отложения 
продуктов размыва, поступающих на данный участок в результате 
проявления береговой и донной абразии или твердого речного стока.

Важнейшим аккумулятивным образованием береговой зоны является 

пляж. Пляж (естественный) – аккумулятивное тело, образованное в 
результате 
накопления 
наносов 
(обломочного 
или 
органического 

материала) под действием гидродинамических факторов.

Пространственное 
положение 
береговой 
зоны 
определяется 

колебаниями уровня моря. Высотное положение границ колебаний уровня 
в
береговой зоне определяет в
рельефе наличие надводных или 

затопленных террас. Так, наличие древних, четко выраженных в рельефе, 
береговых форм фиксирует береговую зону с древнейших времен до 
наших дней.

Береговой зоне, как и географической оболочке Земли в целом,

присущи следующие общегеографические закономерности и свойства: 
целостность, 
ритмичность, 
взаимообусловленность, 
динамичность, 

стадийность и цикличность природных явлений, а также широтная 
зональность.

Важнейшее свойство – целостность. Проявление этого свойства в 

береговой зоне приводит к взаимодействию различных ее компонент, в 
результате чего возникают новые структурные образования, однако не 
равные сумме взаимодействующих частей, а представляющие собой 
принципиально новые образования.

Ритмичность в береговой зоне связана с повторяемостью во времени 

факторов 
динамики,
в 
первую 
очередь 
гидрометеорологических, 

обусловленных изменчивостью атмосферных процессов, вызываемых 
причинами планетарного характера. Например, суточный (бризовый) ритм 
атмосферной циркуляции проявляется в виде сезонной изменчивости розы 
ветров. Пульсации сезонного ритма в свою очередь накладываются на 
многолетние циклы, связанные с проявлением солнечной активности и 
изменением в этой связи глобальной циркуляции атмосферы.

Регулярно повторяющиеся циклические волновые движения вод 

мирового океана наблюдаются в результате приливов, а локальные 
колебания уровня моря могут вызываться изменчивостью местной 
гидрометеорологической обстановки (ветровые нагоны, барические волны 
и т. п.).

В пределах береговой зоны происходит взаимодействие ее основных 

компонентов (жидкости гидросферы, твердого вещества литосферы, 
растительных и животных биоценозов).  Это взаимодействие проявляется в 
сложных процессах энерго- и массообмена.       

Источниками основных энергетических процессов в береговой зоне 

служат лучистая энергия Солнца, внутренняя тепловая энергия Земли, 
силы гравитации, химическая и биогенная энергия. Движущей силой 
эволюции береговой зоны являются процессы трансформации энергии, 
гравитационного переноса вещества, миграции химических и биогенных 
элементов. Кроме того, к важнейшим источникам развития береговой зоны
относится техногенная энергия,
характеризующая связь человека с 

природой. Значение этой энергии увеличивается с каждым годом.    

Основными природными факторами динамики, формирующими 

рельеф береговой зоны, являются: ветровое волнение, зыбь, волновые, 
дрейфовые, градиентные и приливно-отливные течения.

Следует отметить, что, несмотря на значительную энергоемкость 

приливных течений, их влияние на внутренние моря России (Черное, 
Каспийское, Балтийское и моря Северного Ледовитого океана, кроме 
Баренцева моря) незначительно. Это конечно не относится к морям Тихого 
океана, где влияние приливов очень велико.

Развитие характерных геоморфологических форм береговой зоны 

происходит 
путем
сложного 
нестационарного 
обмена 
веществом 

(наносами) 
в 
пределах 
отдельных 
пространственных 
комплексов 

различного масштаба и протяженности. В основе обмена лежат 
циркуляционные процессы, проявляющиеся в виде замкнутых или 
незамкнутых круговоротов вещества и массы. Разомкнутость круговоротов 

принципиально важна для взаимодействия явлений в береговой зоне. 
Можно утверждать, что развитие береговой зоны происходит путем 
накопления вещества и его дифференциации.

Малая циркуляция вещества, характеризует миграцию наносов в 

береговой зоне в течение одного шторма или серии штормов (например –
осенне-зимних) и состоит преимущественно из поперечного перемещения 
наносов по профилю подводного склона. Реализация малого круговорота 
требует соблюдения условий замыкания баланса наносов на протяжении 
шторма. Поэтому обычно при затухании шторма наносы стремятся 
возвратиться в исходное положение на профиле.  Исключением из этого 
является свал наносов на большие глубины или в подводные каньоны.

В отличие от поперечного, продольное перемещение наносов не 

образует замкнутого круговорота, так как происходит однонаправленное 
перемещение наносов вдоль берега. Такое перемещение условно можно 
назвать большим круговоротом. Оно зависит от волновых условий, 
экспозиции отдельных участков берега и
ряда других факторов и

определяет
процесс пространственного развития береговой линии. 

Значительное влияние на вдольбереговое перемещение наносов оказывают 
техногенные воздействия.

Формирование и эволюция современной береговой зоны происходили 

в течение последних 5–6 тыс. лет, в течение которых уровень Мирового 
океана был относительно стабильным и не перемещался относительно 
современного уровня более чем на 4–6 м.

Все многообразие типов морских берегов можно разделить на две 

группы [14, 18]: ингрессионные бухтовые, сформированные реками и 
тектоническими процессами; абразионные или абразионно-аккумулятивные, 
сформированные преимущественно волновыми процессами.

Вторую группу в свою очередь разделяют на несколько типов:
– выравнивающиеся абразионно-бухтовые;
– выровненные абразионные или аккумулятивные;
– берега вторичного расчленения.
Выравнивающиеся образовались вследствие сложной топографии 

первичного расчленения берегов и неравномерной трансформации 
волновой энергии, что приводило к формированию в местах изгибов 
береговой линии свободных аккумулятивных форм и срезанию мысов. 
Выравнивающиеся 
берега 
в 
результате 
образования 
замкнутых 

аккумулятивных форм могут эволюционировать в выровненные.

Выровненные берега образовались в результате незавершенности 

цикла развития большинства побережий в доголоценовый период (свыше 
10 тыс. лет назад). Дифференциация поперечных движений масс наносов, 
происходивших при трансгрессии голоценового времени привела к 
образованию больших участков аккумулятивных берегов. Примером могут 
служить лагуны, у которых коренной берег отгорожен от моря узкой 
полосой берегового бара (отмели).

Полный цикл выравнивания берегов достигается редко, так как для 

его завершения требуется промежуток времени, в течение которого может 
измениться климат.

Кроме того, выравнивание не является единственным путем эволюции 

берегов. На определенной стадии выравнивание вследствие изменения 
условий развития может смениться вторичным расчленением, в результате 
которого формируются берега, развивающиеся в дальнейшем в новом 
цикле выравнивания. Вторичное расчленение 
может происходить,

например,
вследствие 
образования
пляжевых 
фестонов, 
берегов 

извилистого типа или кос (например, Азовских). Аналогичные явления 
происходят на
выровненных аккумулятивных участках вследствие 

прекращения питания наносами.

Как проявление планетарных общегеографических закономерностей

для береговой зоны характерна зональность
береговых процессов, 

определяемая широтной горизонтальной изменчивостью климатических, 
геоморфологических и биогенных процессов. Отражением особенностей 
берегового процесса в отдельных широтных зонах является образование 
некоторых специфических форм берега и береговых
ландшафтов 

(например, коралловые, карстовые, дельтовые и т. п.).

1.2. Современное состояние берегов бесприливных морей России

Современное состояние морских берегов обусловлено циклически 

развивающимися во времени и пространстве природными эволюционными 
процессами, осложненными антропогенным воздействием и периодически 
возникающими особо опасными природными явлениями.

Интегральное проявление всех этих факторов особенно четко 

отражается на состоянии берегов Черного моря. Здесь на протяжении 
десятилетий происходило неконтролируемое изъятие пляжеобразующего 
материала для нужд строительства, как непосредственно с морских 
пляжей, так и из русел рек, а также с подводного берегового склона. В 
результате на многие годы был подорван природный бюджет наносов, что 
привело 
к 
катастрофическим 
разрушениям 
морских 
берегов
и 

расположенных в их пределах зданий и сооружений. Для устранения 
нарушенного баланса всеми Генеральными схемами берегозащитных 
мероприятий, 
составленными 
для 
Черноморских 
берегов, 

предусматривается восстановление пляжевой полосы за счет доставки 
карьерного материала. Однако практически это никогда не делалось и не 
делается в полном объеме ввиду отсутствия финансирования 
и 

недостаточного развития карьерного хозяйства в пределах Черноморского 
побережья.  

В период подготовки к зимним олимпийским играм 2014 г. в городе 

Сочи в результате строительства дороги Адлер – Красная Поляна по руслу 

р. Мзымты, был фактически ликвидирован твердый сток этой одной из 
крупнейших рек Черноморского побережья Кавказа.

Таким образом, проблема дефицита пляжеобразующих наносов 

остается главенствующей на берегах Черного моря и в настоящее время.

Не учтены в Генеральных схемах берегозащиты Черноморского 

побережья 
также 
такие 
особо опасные 
природные 
явления 
как 

экстремальные циклоны, выходы смерчей на побережье и другие.

Азовское море
является примером исключительно негативного 

влияния на прибрежную зону антропогенного фактора. Здесь наряду с 
массовыми заборами песка и нарушением бюджета наносов произошло 
беспрецедентное 
загрязнение 
промышленными 
стоками 
и 

сельскохозяйственными отходами, что
вызывает повсеместное закрытие 

пляжей 
для 
рекреационного 
использования 
и 
катастрофические 

последствия 
для 
гидробионтов 
моря. 
В 
результате 
изменения 

гидрологического режима моря, резко сократилась продуктивность 
гидробионтов, что привело к дополнительному
дефициту наносов 

органического происхождения на берегах и подводном склоне.

Особого внимания заслуживает
Каспийское море,
где неучет 

циклических колебаний уровня при хозяйственном освоении береговой 
зоны привел к катастрофическим последствиям. Произошедшее в период с 
1977 по 1995 г. повышение уровня моря на два с лишним метра вызвало 
интенсивное разрушение берегов и расположенных здесь многочисленных 
хозяйственных, в том числе рекреационных объектов. 

Произошло 
также 
значительное 
затопление 
и 
подтопление 

территорий. Положение еще более осложняется, когда на фоне 
повышенного 
уровня 
проходят 
экстремальные 
штормы, 

сопровождающиеся большими нагонами – до двух и более метров. В 
настоящее время уровень Каспийского моря стабилизировался. Однако в 
вековом плане, он находится на ветви подъема.

Подъем уровня Каспия как природное явление, имеет не только 

общегосударственный (для России), но и межгосударственный характер и 
требует больших капиталовложений для смягчения последствий.

Не очень благоприятная ситуация сложилась и на берегах 

Балтийского моря.
Здесь разрушения берегов связаны с природным 

дефицитом наносов на подводном береговом склоне. Кардинальное 
улучшение состояния берегов на Балтике требует искусственного 
восстановления пляжевой полосы за счет использования наземных и 
подводных карьеров песка.

Таким образом, современное катастрофическое или близкое к 

таковому состояние берегов бесприливных морей России, обусловлено в 
значительной степени антропогенным воздействием и требует новых 
подходов, обеспечивающих  оперативность как разработки Генеральных  
схем и отдельных проектов, так и их реализации в управлении береговыми 
процессами.

1.3. Основные природные факторы динамики прибрежной зоны

Исключительная сложность и случайный характер природных 

процессов в прибрежной зоне значительно затрудняют их детальное 
математическое 
описание.
Поэтому 
наиболее 
приемлемым 
путем

получения практических результатов при прогнозировании береговых 
процессов является идеализация в физически допустимых пределах 
механизма взаимодействия различных природных факторов.  Это означает 
выделение основных из них и отбрасывание второстепенных. Ниже 
приводятся основные природные факторы, которые согласно современным 
теоретическим 
воззрениям 
обусловливают 
динамику 
берегов 

бесприливных морей [14, 39, 52, 57, 58].

Единым 
процессом,
объединяющим 
все 
виды 
механического 

движения вещества
в прибрежной зоне, является трансформация 

волновой энергии при ее взаимодействии с поверхностью литосферы. В 
результате работы водных масс, в береговой зоне происходит изменение 
рельефа 
подстилающей 
поверхности,
направленное 
к 
снижению 

интенсивности гидро- литодинамических процессов и созданию условий 
для более полного перехода механической энергии в тепловую при 
наименьшей мощности совершаемой при этом работы. В связи с этим, 
универсальным законом развития прибрежной зоны моря является ее 
стремление к динамически равновесному состоянию по отношению к 
действующим силам. При этом эффект воздействия волновой энергии на 
береговой откос пропорционален потерям ее потока на длине единичного 
вектора, характеризующего направление движения волн в каждой точке 
подводного и надводного берегового склона.  

Поток энергии волн, входящих в береговую зону из открытого моря, 

как
правило, под некоторым углом, обычно представляется двумя 

составляющими: нормальной к берегу и продольной. В соответствии с 
этим, перенос твердого материала в береговой зоне рассматривается в двух 
направлениях: поперечном и вдольбереговом. При этом нормальная 
составляющая потока волновой энергии определяет формирование 
профиля динамического равновесия берегового склона, а вдольбереговая –
развитие 
равновесной 
береговой 
линии. 
В 
целом,
соотношение 

составляющих потока волновой энергии во времени и в пространстве, 
определяет все многообразие природных береговых форм.

Следующим важным фактором, определяющим динамику берегов,

является уровень водной поверхности. С его штормовой, сезонной, 
годовой и межгодовой изменчивостью тесно связаны масштабы и границы 
распространения абразионных или аккумулятивных процессов. При этом 
следует учитывать взаимосвязь крутизны подводного берегового склона и 
формирующегося под воздействием штормового волнения и ветра 
повышения уровня (штормового нагона).