- •Динамика русловых потоков
- •Часть I
- •Предисловие
- •Введение
- •Тема 1. Одномерный русловой поток и гидравлическое сопротивление
- •1.1. Уравнение одномерного квазиравномерного движения руслового потока, понятие о касательном напряжении и гидравлическом сопротивлении
- •1.2. Оценка влияния гидравлического сопротивления на русловой поток
- •1.3. Виды гидравлического сопротивления и понятие о законе гидравлического сопротивления
- •1.4 Сопротивление зернистой шероховатости. Коэффициент шероховатости
- •1.5 Влияние на гидравлическое сопротивление характера гидродинамического режима. Графики Никурадзе и Зегжды.
- •1.6. Сопротивление донных гряд
- •1.7 Сопротивление формы русла
- •1.8 Сопротивление поймы
- •1.9 Сопротивление ледяного покрова
- •1.10 Сопротивление растительности
- •1.11 Сопротивление, обусловленное неустановившимся характером движения потока
- •1.12 Дополнительные сопротивления, связанные с местными неровностями дна и расширением русла
- •Тема 2. Распределение скоростей течения по глубине потока
- •2.1 Эмпирические формулы, описывающие распределение скоростей течения по глубине потока
- •2.2 Теоретическое обоснование закона распределения скоростей течения по глубине
- •2.3 Новая интерпретация логарифмического закона распределения скоростей течения по глубине и его основные следствия
- •2.4 Влияние неравномерного и неустановившегося движения воды на распределение скоростей течения по глубине
- •Тема 3. Распределение скоростей течения в поперечном сечении прямолинейного потока
- •3.1 Распределение скоростей течения в потоке с прямоугольным сечением
- •3.2 Распределение скоростей течения в естественном русловом потоке с прямолинейными очертаниями
- •Тема 4. Изгиб потока
- •4.1 Движение воды на изгибе русла
- •4.2 Лабораторные исследования кинематики потока на изгибе русла
- •4.3 Исследования кинематики потока на изгибе естественного русла
- •Тема 5. Деление потока
- •5.1 Сущность деления потока
- •5.2 Экспериментальные исследования отвода потока и некоторые эмпирические зависимости
- •5.3 Движение потока в узлах разветвления естественных водотоков
- •5.4 Распределение расходов воды между рукавами
- •Тема 6. Планы безотрывных течений
- •6.1. Основные определения
- •6.2. Построение плана течений при наличии данных изменений скоростей течения
- •6.3. Методы теоретического построения плана безотрывных течений
- •Заключение
- •Литература
Тема 4. Изгиб потока
4.1 Движение воды на изгибе русла
Криволинейные в плане русла – весьма распространенный тип речных русел. Меандрирование – типичное проявление руслового процесса на равнинных реках.
Несмотря на широкое распространение изгибов русел рек, динамика потока по повороте русла изучена недостаточно. Более того, разрабатывались принципиально различные концепции, описывающие схему течений на изгибе русла. Первая концепция исходила из предположения о том, что частицы жидкости, преодолевая изгиб, движутся по криволинейным траекториям и испытывают поэтому действие центробежной силы. Вторую концепцию выдвинул еще в 1779 г. французский гидравлик Пьер Луи Жорж дю Буа, считавший, что поток движется на изгибе, последовательно "отражаясь" от стенок русла. Эту концепцию в 50–60-х годах ХХ века развил Н. Е. Кондратьев, рассмотрев пространственную картину такого "отражения".
Более разработанной к настоящему времени оказалась первая концепция. Согласно ее положениям на изгибе русла возникает обусловленная центробежными силами поперечная циркуляция потока и искривления рельефа водной поверхности.
В рамках рассматриваемой концепции были получены некоторые количественные выводы.
В. Н. Гончаров (1962) на основе уравнений удельной энергии сечения и равновесия центробежной силы и поперечной составляющей силы тяжести и К. В. Гришанин (1979) на основе уравнения движения показали, что на изгибе русла прямоугольного сечения должен выполняться так называемый закон площадей
ucp,iyi=ucp,oyo=const, (4.1)
где ucp,i – средняя на любой вертикали скорость течения, yi – расстояние поперек русла от выпуклого берега до рассматриваемой вертикали, ucp,o – средняя скорость на вертикали на оси потока, уо – расстояние от берега до оси потока.
Согласно "закону площадей" в потоке, проходящем поворот русла с наименьшими потерями энергии, скорости должны увеличиваться по мере приближения к внутреннему (выпуклому) берегу (Гончаров, 1962) и радиус-векторы всех движущихся частиц жидкости "ометают" в единицу времени равные площади (Гришанин, 1979). "Закон площадей" был еще раньше экспериментально доказан А. Я. Миловичем (1914).
На изгибе русла из-за центробежных сил возникает перекос водной поверхности в поперечном направлении.
На основе рассмотрения баланса центробежных сил и сил, обусловленных поперечной составляющей силы тяжести, можно получить следующее выражение для поперечного уклона водной поверхности Iпоп:
, (4.2)
где V – средняя скорость течения потока, ro – средний радиус изгиба.
Поперечная циркуляция на изгибе русла проявляется в возникновении поперечных составляющих течений, названных поперечными, или радиальными скоростями течения. Поверхностные поперечные скорости направлены в сторону вогнутого берега, донные – в сторону выпуклого.
Для поперечных (радиальных) скоростей течения получено несколько теоретических выражений. Так, К. В. Гришанин (1973) предложил следующую формулу:
, (4.3)
где uпоп – поперечная (радиальная) скорость, V – средняя скорость течения потока, h – глубина, z – расстояние от дна, r – радиус изгиба русла, – константа Кармана.
При выводе формулы (4.3) использовано уравнение для распределения скоростей течения по глубине потока (2.35).