Файл: Гришанин К.В. Устойчивость русел рек и каналов.pdf

вого потока — его способность к саморегуляции. Расход воды, про­ ходящий по устойчивому участку русла, развивает на дне такую систему макрошероховатости, при которой гидравлический уклон равен уклону сглаженной поверхности дна. Большим расходам воды и наполнениям русла отвечают большие расходы наносов и соот­ ветственно высокие донные гряды, малым расходам и наполне­ ниям— малые расходы наносов и низкие гряды. Переформирование грядового рельефа дна несколько отстает от изменений расхода, но не настолько, чтобы нарушить механизм саморегуляции. В лабора­ торных лотках, уклон которых при начале опытов задается более или меиее произвольно, процесс приспособления подвижного дна к потоку часто занимает десятки и даже сотни часов, но в конце концов такое приспособление обязательно происходит. Располагая условием М = 0,9, т. е. зная наполнение лотка, при котором система поток—русло с данными Q и В придет в равновесие, можно сильно сократить время эксперимента.

Поскольку опытные значения М варьируют случайным образом, было бы неправильно требовать во всех задачах об устойчивости русел рек и каналов точного соблюдения равенства уИ=0,9. У ч т я

погрешность опытного определения М, в качестве условия практиче­ ской устойчивости можно принять неравенства

0,75 1,05.. (4.68)

Значения М, большие 1,05 и меньшие 0,75, образуют две области неустойчивости. К первой из них, где значения М велики, принадле­ жат участки с недостаточной транспортирующей способностью по­ тока. Неустойчивость таких участков выражается в возможности их заиления. Ко второй, где значения М малы, относятся участки с по­ вышенной транспортирующей способностью потока. Неустойчивость здесь может развиваться в виде эрозии дна.

В заключение остановимся на роли, которую играет в устойчиво­ сти русла его кривизна. Устойчивые плёсовые лощины рек не всегда бывают прямыми. Поэтому важно знать, каково то предельное зна­ чение кривизны русла, до достижения которого допустимо пользо­ ваться условием устойчивости (4.68). Для ответа на этот вопрос была произведена обработка данных по 23 участкам четырех меандрирующих рек СССР: Верхней Сухоны, Десны, Верхнего Дона и Иртыша [11]. Грунт дна на всех участках песчаный. На каждом уча­ стке были определены при меженном уровне элементы потока в се­ чении с наибольшей глубиной и радиус кривизны вогнутого берега гв. Сопоставление подсчитанных значений безразмерной глубины H{gB)'l*Q-'l* со значениями относительной кривизны русла 7?/лв по­ казало, что связь между этими величинами практически отсутствует (значения безразмерной глубины остаются в среднем близкими к 0,9), пока относительная кривизна не превзойдет 0,15—0,20 (ра­ диус кривизны вогнутого берега не станет меньше 6—5 ширин ру­ сла). Значение относительной кривизны вогнутого берега В/гБ= 0,15 и следует считать предельным для использования условия устойчи­ вости (4.68).

Показательно, что опыт выправительных работ на судоходных реках привел исследователей к заключению о том, что для устойчи­ вости выправительной трассы ее радиус не должен быть больше 5— 6 ширин русла [8]. В области больших значений кривизны В/гв> 0,3 безразмерная глубина сечений очень быстро растет с кривизной и на крутых изгибах русла достигает 4—5.

Из сказанного не следует делать вывод, что сильно искривлен­ ные участки речных русел не могут обладать временной устойчи­ востью. Опыт показывает, что есть крутые извилины, деформации которых в течение ряда лет пренебрежимо малы. Пытаясь объяс­ нить временную устойчивость таких участков, Маккавеев [29] пред­ ложил следующую схему явления. Производимый донной ветвью радиального течения подвод наносов к выпуклому берегу создает здесь повышенную концентрацию взвешенных русловых наносов.

Таким образом, создается поперечный градиент концентрации, и механизм турбулентного перемешивания обусловливает диффузион­ ный поток наносов в направлении от выпуклого к вогнутому берегу. Если диффузионный поток полностью компенсирует отвод наносов от вогнутого берега донной ветвью радиального течения, извилина не деформируется. Опытная проверка этой схемы не производилась, а ориентировочные подсчеты заставляют усомниться в ее реальном осуществлении.

На настоящей стадии изученности этого вопроса более пра­ вильно следующее простое объяснение: временно устойчивы те кру­ тые извилины, где скорости течения у вогнутого берега недоста­ точны для размыва дна. Эта малость скоростей может быть следст­ вием как переуглубления русла, так и увеличения длины извилины по мере ее развития. Конец временной устойчивости таких участ­ ков кладет прорыв перешейка извилины, после чего извилина пре­ вращается в старицу и постепенно отмирает.

§ 4.5. УСТОЙЧИВЫЕ УЧАСТКИ С КРУПНОЗЕРНИСТЫМИ ГРУНТАМИ

Тесная связь между гидравлическим радиусом устойчивых се­ чений и величиной позволяет рассматривать эту послед­ нюю как характерный линейный масштаб подвижных русел. Тогда на устойчивых цилиндрических участках русел с крупнозернистыми донными отложениями должна существовать приближенная связь между тремя линейными величинами: R, d и Это позво­ ляет заменить уравнение (4.61), содержащее функцию ці трех кри­ териев подобия, более простой функциональной связью двух без­ размерных переменных

Вид функции р- 2 может быть установлен только из опыта.

В качестве опытных данных были использованы измерения рас­ ходов воды и одновременно взятые пробы донных отложений на ше-

100

стн горных и предгорных участках рек СССР [11, 13, 14]. За репре­ зентативный диаметр донных частиц был взят диаметр d50, обес­ печенный на 50%, по кривой гранулометрического состава. Попе­ речные размеры русел, как всегда у естественных потоков, были выражены в терминах ширины по зеркалу воды и средней глубины. Полученная связь между безразмерной средней глубиной сечения Н (gB)'l(Q-'h и относительной гладкостью дна Я/с^о представлена на рис. 4.20. Кроме данных по шести створам с крупнозернистыми грун­ тами, на этот график нанесены также точки по четырем створам, от­ носящимся к области автомодельности по относительной зернистой шероховатости. Совместное рассмотрение двух групп точек позво­ ляет определить границу области автомодельности. Основные сведе­ ния о 10 использованных створах приведены в табл. 8.

н ( д в ) 1///

Номера условных обозначений соответствуют номерам по табл. 8.

Разброс точек измерений в области малых-значений относитель­ ной гладкости значителен. Однако осредняющая линия может быть проведена с достаточной определенностью. Уравнение этой линии записывается в виде

Уравнение следует считать действительным в области значений относительной гладкости З ^ Н /dsо^ЮОО, где оно обосновано дан­ ными измерений. Значение Hjdbо= 1000 отвечает точке пересечения графика уравнения (4.70) с прямой Н (gB) 'i*Q-'h= 0,9.

Таким образом, верхняя граница области автомодельности по относительной зернистой шероховатости определяется значением относительной шероховатости

101

102