Тема 8
Структура речного русла. Твердый сток.
Русловые процессы и их типизация.
Особенности выбора мостового перехода в
зависимости от типа руслового процесса
1. Структура речного русла
Русло в плане имеет, как правило, извилистую форму. По генезису различают два вида речных извилин:
Орографические. Обусловлены наличием в русле каких либо местных сопротивлений, например, в виде трудно размываемых участков дна.
Гидрографические. Обусловлены размывающей деятельность потока.
Процесс формирования извилин под действием размывающей деятельности потока называется меандрированием. В ходе этого процесса извилины растут, сползают вниз по течению, происходят прорывы извилин, образование протоков и стариц.
Извилистая форма является наиболее устойчивой для рек, протекающих в легко размываемых грунтах.
Допустим, искусственно созданный прямолинейный участок реки под действием какой-либо причины отклоняется от прямолинейного. Берег, в который ударяется струя, будет размываться с отложением продуктов размыва ниже по течению. Отразившись от размываемого берега, струя ударяется о противоположный берег, и так до тех пор, пока все русло не примет извилистую форму.
Расположение глубин русла тесно связано с его плановым положением.
В результате измерение глубин строится план русла с изобатами, т.е. линиями равных глубин (рис. 24). Распределение изобат в плане показывает, что равнинные реки представляют собой чередование глубоководных участков – плесов и мелководных - перекатов, которые за год могут перемещаться до 200 м и более. Динамическая ось потока (линия наибольших скоростей) смещается к вогнутому берегу. Гребень переката, как правило, пересекает водоток под углом вниз по течению. На выгнутой излучине в сторону переката формируется зона отложений наносов (побочни) (рис. 25).
Рис. 25. Схема излучины реки.
1 – верхний плес, 2 – верхний побочень,
3 – нижний плес, 4 – нижний побочень, 5 – гребень переката,
6 – форватор, 7 - поперечный профиль.
2. Твердый сток
Энергия потока расходуется на преодоление сопротивления со стороны дна и берегов, а также на размыв и перенос грунта со склонов водосбора в водоприемник. Уровень воды в водоприемнике представляет для впадающей в него реки базис эрозии, т.е. потенциальная отметка, до которой произойдет размыв водотока. Базис эрозии характеризует энергию потока.
Процесс размыва включает четыре стадии:
- смыв грунта с поверхности водосбора;
- размыв дна и берегов в русле реки и на пойме;
- перенос частиц грунта по течению водотока;
- отложение или аккумуляцию частиц.
Причиной размыва является движение масс воды (в виде ручейков на склонах или же потока в реке), достигающее определенной скорости. Отрыв частиц грунта и их подъем – переход во взвешенное состояние - , кроме скорости воды, зависит от размеров частиц, их формы и плотности, а также от взаимного расположения частиц на дне.
На отдельную частицу, лежащую на дне, действует сила лобового давления и подъемная сила, которая возникает при обтекании частицы, обусловленная разностью скоростей на верхней и нижней её гранях. По закону Бернулли давление на верхнюю грань будет меньше, чем на нижнюю. Кроме того, необходимо учесть вес частицы и Архимедову (выталкивающую) силу.
Еще один механизм отрыва частиц от дна – это наличие вихрей, возникающих при обтекании разного рода препятствий. Эти вихри имеют на своей оси область пониженного давления и захватывают оторвавшиеся частицы, поднимают их в толщу потока.
В тех случаях, когда подъемная сила меньше силы тяжести, А лобовое давление превышает силу трения (сцепления), частица может перемещаться по дну путем скольжения и перекатывания. Такое перемещение называется влечением донных наносов. Анализ устойчивости такой частицы показывает, что веса влекомых частиц относятся как шестые степени скоростей (закон Эри). Таким образом, если скорости горного и равнинного потоков относятся как 1 : 4, то веса влекомых ими наносов относятся как 1 : 4096.
Скорость течения, при которой происходит первоначальное нарушение равновесие частиц донных наносов, формирующих русло, называется неразмывающей скоростью, а при начале массового движения донных частиц – размывающей скоростью. Они зависят от размера частицы, глубины потока и сил сцепления (связные грунты). Размывающая скорость примерно на 30…40% больше неразмывающей. Её используют при определении расхода наносов, а неразмывающую – в расчетах общего и местного размыва русла у ГТС.
Известно, что перенос частиц осуществляется в виде взвешенных и донных наносов.
Донные наносы являются руслоформирующими,т.е. участвующими в образовании, перемещении и разрушении таких русловых форм, как гряды, побочни, осередки и т.д.
В отличие от них, взвешенные наносы, частицы которых находятся в потоке большую часть времени и переносятся на большие расстояния. При уменьшении скорости потока они могут откладываться на дне и переходить в донные наносы. По размеру взвешенные частицы примерно на порядок меньше донных.
Содержание взвешенных частиц в потоке характеризуется мутностью воды, г/м3. Для её определения в реке берутся пробы воды. Наибольшая мутность воды наблюдается у дна и в середине потока. Её величина колеблется в очень широких пределах: от 10 до 1000 г/м3, а иногда – до 1…10 кг/м3 (р. Хуанхе).
Произведение средней мутности на скорость потока характеризует его транспортирующую способность, которая уменьшается от истока к устью реки, где преобладают процессы аккумуляции наносов.
Масса частиц, переносимых водой через поперечное сечение водотока в 1 сек, называется расходом взвешенных наносов, который определяется по формуле: G = 1000 * ρ * Q, кг/с. Для характеристики объема выноса грунта водой реки вычисляют величину твердого стока за сутки, месяц, сезон и год. Наибольший твердый сток наблюдается, как правило, в периоды половодья и паводков.
Среднемноголетний объем наносов вычисляется по формуле:
Vн = G * 86400*365 / γ = ρ * Q * 86400*365 / γ ,
где G - среднегодовой расход наносов или норма твердого стока, кг/с,
ρ - мутность воды, кг/м3,
γ – плотность наносов, кг/м3