ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.07.2024
Просмотров: 127
Скачиваний: 0
Ввиду приближенности численного значения инварианта подо бия М при проведении практических расчетов допустимо, однако, пользоваться условием М = const = 0,9 и при больших значениях относительной зернистой шероховатости — примерно до dso/# = = 0,005. Тем самым в область автомодельности оказываются вклю ченными все большие и средние и почти все малые реки с дном, со стоящим из песка и мелкого гравия. Напомним, что и эксперимен тальные данные, приведенные в предшествующем параграфе, ука зывают на независимость безразмерного гидравлического радиуса
от относительной зернистой шероховатости при значе ниях последней достигающих 0,005.
Систематическое убывание безразмерной средней глубины с ро стом крупности донных частиц-—закон, проявляющийся в реках с гравелисто-галечным и валунным дном. Физическая причина та кого убывания состоит в затрудненности глубинной эрозии. При од ном и том же числе Фруда поток в русле, сложенном из крупного гравия и гальки, всегда более мелкий, чем поток в песчаном русле. Следствием слабой глубинной эрозии является также малая высота донных гряд и отсюда превалирующая роль зернистой шероховато сти в русловом сопротивлении. Формула (4.70) отражает обе эти стороны ограниченной глубинной эрозии: малость глубин и неразви тость донных форм.
В табл. 9 приведены значения безразмерной средней глубины H (g B )'/< Q -4 , по нескольким гидростворам на реках с галечно-валун
ными грунтами, относительно крупности которых нет количествен ных данных. Порядок значений безразмерной средней глубины в этих створах хорошо согласуется с данными, представленными на рис. 4.20.
Таблица 9
Значения безразмерной средней глубины на некоторых гидростворах рек с галечно-валунными донными грунтами
с |
Река |
Гидроствор |
с |
|
|
1 |
Бия |
Турочак |
2 |
Енисей |
Кызыл |
3 |
Ангара |
Скит |
4 |
Богучаны |
|
5 |
Тисса |
Татарка |
6 |
Деловое |
1 Расстояние от устья, км |
Площадь водосбора, тыс. км2 1 Год изме рений |
Число изме рений |
|
194 |
25,4 |
1962 |
25 |
3350 |
112 |
1962 |
19 |
2371 |
288 |
1962 |
48 |
325 |
883 |
1962 |
16 |
32 |
1060 |
1962 |
17 |
945 |
1,19 |
1964 |
28 |
I I |
Q-/S |
макс. мин. среди.
0,53 0,49 0,50
0,59 0,52 0,55
0,66 0,63 0,64
0,55 0,46 0,49
0,54 0,48 0,50
0,60 0,47 0,53
Результаты этого и предшествующего параграфов связывают временную устойчивость подвижных русел с определенными значе ниями (или интервалами значений) безразмерной средней глубины Н (gB)'1' В руслах с большой подвижностью дна и соответ ственно развитым донно-грядовым рельефом всем устойчивым
103
участкам отвечает одно определенное значение (один и тот же узкий интервал значений) безразмерной средней глубины. В рус лах с ограниченной подвижностью дна и неразвитым донно-грядо вым рельефом безразмерная средняя глубина на разных устойчи вых участках, вообще говоря, различна — она тем меньше, чем крупнее донный материал.
В главе 1 уже указывалось, что роль случайных факторов во временной устойчивости русел сводится к ограничению устойчивости в пространстве и времени. Устойчивые участки всегда ограничены по длине и, разумеется, нельзя рассчитывать на то, что они будут оставаться без изменения неопределенно долго.
§ 4.6. И Н Т Е Н С И В Н О С Т Ь Р У С Л О В Ы Х Д Е Ф О Р М А Ц И И
Устойчивые прямолинейные или слабонзогнутые плёсовые ло щины не так уже часто повторяются вдоль реки. Есть реки, где они почти не встречаются. Поэтому большинство инженерных сооруже ний, в частности все возрастающие в числе промышленные и граж данские водозаборы, приходится располагать на существенно не цилиндрических и, следовательно, неизбежно деформирующихся участках. Работы по улучшению судоходных условий рек сосредо точены на перекатах, где русло предельно мецилиндрическое и сильно деформируется.
Для того, чтобы обеспечить по возможности долгую бесперебой ную работу водозаборных сооружений или выбрать устойчивую трассу судового хода, важно располагать сравнительной оценкой интенсивности русловых деформаций в различных местах русла. В таких задачах, как выбор оптимального соотношения между объ емами дноуглубительных и выправительных работ или определение потребной суммарной производительности дноуглубительных снаря дов на судоходном плёсе приобретает значение сравнительная оценка интенсивности русловых деформаций на протяженных уча стках рек с длинами в несколько сот километров, а также на разных реках.
Интенсивность русловых деформаций — это быстрота, с которой изменяются во времени поперечные сечения русла, и его плановая конфигурация. Интенсивностью русловых деформаций определя ется степень неустойчивости русла. Желая указать на различия в интенсивности деформаций на разных участках реки или на раз ных реках, иногда говорят о разной степени устойчивости русла. Такое словоупотребление нельзя признать удачным. Устойчивы (временно) участки, деформации которых пренебрежимо малы. Все остальные участки русел неустойчивы, причем степень неустой чивости может изменяться в широких пределах.
Интенсивность русловых деформаций — знакопеременная вели чина; при аккумуляции наносов (росте высоты дна) она имеет знак плюс, при эрозии дна — знак минус. Знак и абсолютные значения интенсивности деформации меняются по длине реки, а также во вре мени. Абсолютные значения интенсивности деформаций велики во
104
время паводка, когда в реке наблюдаются наибольшие скорости те чения, и становятся малыми в межень.
Изменение элементов движения вдоль протяженных участков русла не является монотонным. Применительно к таким участкам интерес представляют абсолютные значения интенсивности дефор маций, осредненные по длинам участков. На практике, однако, про извести такое осреднение бывает трудно. Поэтому для оценки сред них абсолютных значений интенсивности деформаций применяются особые условные показатели, составляемые из тех характеристик по тока и русла, которые сильнее всего влияют на интенсивность де формаций. Обычно эти показатели именуются коэффициентами устойчивости русла. В свете сказанного выше такого названия сле дует избегать. Так как эти показатели могут быть составлены и для тех участков рек, где в силу цилиндричности русла деформаций не происходит, будет логичным называть их показателями возможной интенсивности деформаций.
Общепринятой системы показателей возможной интенсивности деформации в настоящее время не существует. В теории и практике путевых работ на реках в качестве главного показателя возмож ной интенсивности деформаций долгое время использовался коэф фициент В. М. Лохтина. Наиболее обстоятельная сводка значений коэффициента Лохтина по крупным участкам судоходных рек Евро пейской территории СССР была дана Н. И. Маккавеевым [30] С Сыграв значительную роль в становлении теории руслового про цесса, коэффициент Лохтина утратил к настоящему времени свое значение. Это произошло вследствие двух причин: 1) появились бо лее точные коэффициенты устойчивости донных частиц (см. § 1.1); 2) стала ясной необходимость связать показатели возможной интен сивности деформаций с уравнениями динамики русловых потоков, т. е. дать им несколько более широкое обоснование, чем то, которое сводит вопрос об интенсивности деформаций к вопросу о подвиж ности донных частиц.
Сразу же следует оговориться, что нельзя рассчитывать на соз дание системы показателей, а тем более одного показателя для всех видов рек и типов руслового процесса. Напомним, что современная теория руслового процесса различает три основных вида речных ру сел: 1) однорукавные русла с очень большими радиусами кривизны, где главным явлением служит перемещение и попутные переформи рования побочней; 2) меандрирующие (извилистые) русла, для ко торых характерна сильная боковая эрозия и связанные с ней изме нения конфигурации русла в плане; 3) разветвленные русла с под видами русловой и пойменной многорукавности. Процесс движения побочня н процесс размыва вогнутого берега имеют одну и ту же общую основу — захват и перенос частиц сыпучей среды потоком жидкости. Однако формы, которые принимает это явление в двух1
1 Эта работа содержит также очень полезный анализ физико-географиче ских факторов, влияющих на интенсивность русловых деформаций (стр. 161— 179).
105
указанных случаях, столь различны, что характеризовать интенсив ность двух процессов необходимо по-разному.
Ниже кратко остановимся на геоморфологических способах оценки интенсивности •деформаций, а затем рассмотрим, что могут дать для этого уравнения динамики русловых потоков.
Геоморфологический анализ руслового процесса имеет дело с фактически происшедшими деформациями русел. Это является сильной стороной геоморфологического подхода. Его слабая сторона состоит в том, что он обычно не в состоянии связать русловые де формации с определяющими ее гидродинамическими факторами.
При геоморфологическом анализе используются две основные характеристики быстроты протекания руслового процесса: быстрота планового смещения береговой линии и скорость перемещения вдоль реки положительных форм руслового рельефа — побочней п осередков. Быстрота смещения береговой линии у меаидрирующих рек меняется по длине каждой извилины, достигая максимума на участке с наибольшей кривизной. Она не остается постоянной и по ходу развития извилины: в начальной стадии развития она мала в силу малой кривизны русла и соответственно слабого радиального течения; далее она растет, достигает максимума и на заключитель ной стадии развития несколько снижается. Причинами снижения яв ляются: падение уклонов, а значит и скоростей по мере увеличения длины извилины, и отход стрежня потока (его «динамической оси») от вогнутого берега, имеющего малый радиус кривизны. Иногда этот отход принимает форму отрыва потока от вогнутого берега.
Скорость перемещения побочней и осередков представляет со бою менее изменчивую величину. Так как эти образования переме щаются, пока они находятся под водой, то скорость перемещения ко леблется по годам — она оказывается большой в годы с высокими паводками и малой в годы с низкими. Поскольку скорость переме щения русловых образований принято исчислять по длине пути, про ходимого ими за год, то на ней сказывается также длительность на хождения форм под водой.
Быстрота смещения береговой линии и фазовая скорость русло вых образований устанавливаются путем сопоставления последова тельно произведенных русловых съемок. Наиболее удобно сопостав лять съемки, сделанные в межень, примерно в одни и те же сроки, т. е. разделенные периодом в один год или кратный году.
При меандрировании большинство побочней закреплено у вы пуклых берегов и их деформации состоят в нарастании в сторону отступающего вогнутого берега. Поэтому для меаидрирующих рек быстрота смещения линии вогнутого берега служит почти исчерпы вающей характеристикой интенсивности руслового процесса. Разде лив ширину русла В на годовое смещение береговой линии Ау, по лучим удобосравнимую величину: число годовых циклов, за которые русло при постоянной быстроте плановых деформаций сме стится в поперечном направлении на свою ширину. Осреднив такие данные по ряду смежных извилин, можно составить представление о средней интенсивности деформаций на рассмотренном участке
106
реки. При выполнении расчетов рекомендуется брать данные по развитым, но не гипертрофированным извилинам, в местах с ма ксимумами кривизны.
При побочневом типе руслового процесса главной характеристи кой интенсивности русловых деформаций является скорость про дольного движения русловых образований. Здесь удобную оценку интенсивности дает отношение шага побочневой цепочки (расстоя ния между причлененными к одному и тому же берегу смежными побочнями) L к пути Ах, проходимому побочнями за год. Это отно шение равно, очевидно, числу годовых циклов, через которые, при постоянной скорости перемещения, расположение побочней в русле повторится.
В средних и больших равнинных реках с песчаным дном путь, проходимый побочнями, составляет от нескольких десятков до не скольких сот метров в год. Это дает среднюю годовую скорость движения до 1 м/сутки, а иногда и больше. Так как побочни факти чески движутся только во время паводка, то их действительные ско рости могут достигать нескольких метров в сутки, т. е. имеют поря док ІО-5—ІО-4 м/с. Это примерно на один порядок меньше скорости движения перемещающихся по поверхности побочней донных гряд и на три-четыре порядка меньше скоростей влекомых потоком пес чинок.
Обратимся к уравнениям динамики русловых потоков. Здесь нам придется ограничиться реками с побочневым типом руслового процесса, так как аналитических средств для описания плановых де формаций пока нет. Положим для простоты, что расход воды по стоянный, изменяемость ширины русла по его длине мала и влия нием деформаций дна на положение свободной поверхности можно пренебрегать:
dQ |
гі |
d B |
^ 1 |
dzw |
ss |
d Z s |
dt ~ |
v ’ |
dx |
^ |
dt |
^ |
dt ■ |
В силу последнего неравенства |
dZs |
дН |
и уравнение де- |
|
dt |
dt |
|
формации (2.5) можно представить в виде |
|
|
|
dqs |
dH |
|
(4.72) |
1 в dx |
dt |
|
|
1 — |
|
|
|
где qs — удельный объемный расход наносов в плотном теле. Счи тая приближенно, что удельный'расход наносов полностью опреде лен скоростью течения
ч*=яАѴ),
будем иметь вместо (4.72)
1 |
с |
^ |
дЦ |
dqs |
dH |
(4.73) |
dx |
dU |
dt |
||||
1 — |
|
* |
|
|
|
|
107