§ 37. Наносы

Основными источниками морских наносов являются продукты разрушения морских берегов волнением и твердый сток рек. Накоп­ление наносов в море связано также с продуктивностью бентоса и планктона. Твердый сток рек представляет собою общий объем взвешенных и донных наносов, выносимых в море реками. Объем этих наносов достигает значительных размеров. Так, Аму-Дарья несет ежегодно 217 млн. т наносов, Кура — 36 млн. г, Волга — 25,5 млн. г, Риони — 8,5 млн. г, Енисей—11 млн. т, Обь — 13,4 млн. т, Северная Двина — 3 млн. г, Дон — 6,5 млн. т. Созда­ние на судоходных реках подпоров (плотин со шлюзами и водо­хранилищ) вызвало отложение наносов в водохранилищах и недостаток насыщения реки наносами ниже подпора (в нижнем бье­фе). Этот недостаток наносов восполняется размывом дна реки ниже плотины, постепенно распространяющимся вниз по течению. Следовательно, после постройки плотины в нижнем бьефе возника­ют волны деформаций, восполняющие дефицит наносов и постепен­но затухающие.

При волновом движении круговые орбиты у поверхности равны высоте волны, но в глубину радиусы круговых движений, описы­ваемых частицами, быстро уменьшаются. В табл. 22 показана зависимость диаметра орбиты от глубины слоя.

Таблица 2.2

Диаметры орбит в зависимости от глубины слоя воды

Ветер, вызывающий волнение, одновременно создает и течение. При волнении частицы воды, имея колебательные движения, рас­пространяющиеся в глубину, могут вызвать турбулентное пере­мешивание морской воды, но при правильной волне или зыби это перемешивание будет незначительным. При ветре, особенно когда происходит опрокидывание гребней и орбитальные скорости увели­чиваются, турбулентное перемешивание морской воды имеет уже определенное значение. Перемешивание при волнении распростра

няется до дна только на мелководье. При одновременном дейст­вии волнения и течения, направленных в одну сторону, орбиталь­ные движения частиц воды приобретают сильно вытянутую петле­образную форму, при этом поступательное движение совершается быстрее обратного. Вытянутость орбит зависит от скорости те­чения. По глубине от поверхности воды вытянутость орбит увели­чивается. В этой турбулентной структуре морского потока пульса­ция имеет особые черты. Орбитальные движения попеременно то увеличивают, то уменьшают интенсивность турбулентного переме­шивания масс жидкости.

Турбулентная структура морского потока вызывает движение наносов. Отрыв частиц от дна происходит под влиянием подъем­ной силы, развиваемой волнением и течением, а взвешивание уже поднятых частиц — турбулентностью, связанной со скоростью те­чения, действующего внутри потока. Следовательно, наносы попа­дают в толщу потока вместе со взвешивающими возмущениями, но твердые частицы, выносимые вверх турбулизирующими возму­щениями, отстают от жидкой среды этих возмущений. Взвешен­ные частицы, имеющие чрезвычайно малый размер, переносятся потоком приблизительно с той же скоростью, которой обладает и окружающая жидкость.

Распределение взвешенных наносов в потоке ПО вертикали в среднем за достаточный промежуток времени остается неизменным и количество наносов в любом элементарном объеме постоянно. Таким образом, поток должен непрерывно производить работу по обратному подъему наносов. При стационарном состоянии име­ется равновесие между количеством твердых взвешенных частиц, поднимающихся вместе с перемещающимися вверх массами жид­кости, и количеством частиц, опускающихся вниз за счет сил тяжести, т. е. количество наносов, осаждающихся в единицу вре­мени, равно количеству наносов, взмываемых вновь.

Механизм движения взвешенных наносов чрезвычайно сложен и полностью не выяснен. Наибольшее распространение получили теории движения наносов В. М. Маккавеева (диффузионная тео­рия) и М. А. Великаиова (гравитационная теория). Обе теории выведены для плоского равномерного потока и имеют ряд допу­щений. Критическая оценка преимуществ и недостатков этих тео­рий, данная на конференции по проблеме русловых процессов, состоявшейся в Москве в 1952 г., выявила те принципиальные во­просы, которые удовлетворительно еще не решены. Проверка и ана­лиз теоретических схем движения наносов в поступательном по­токе были проведены в разное время. Работы Союзморниипроекта подтвердили ранее сделанные выводы, что «...выражения диффу­зионной теории удовлетворительно описывают распределение кон­центрации твердого материала в значительной части потока».

На мелководных участках моря, залива или лимана (на глу­бинах 2—12 м) под действием ветра возникает ветровое волнение и ветровое течение, действующие в одном направлении. Попутное течение увеличивает длину волны и уменьшает ее высоту, благо-

даря чему волна становится более пологой. При наложении встреч­ного ветрового потока на волну происходит уменьшение длины вол­ны и увеличение ее высоты, следовательно, крутизна волны воз­растает, но быстро гасится. Ветер одновременно создает и новые ветровые волны, а затем, в поверхностном слое, и попутное с волнением течение.

Взвешивание наносов и распределение их по глубине в мор­ском потоке конечной глубины происходит также в условиях тур­булентного режима. Уравнение баланса наносов при одновремен­ном действии волнения и течения может быть получено путем приравнивания количества наносов, осаждающихся в единицу вре­мени и взмываемых вновь. При этом на дне моря в естественных условиях могут происходить следующие явления. Если количество наносов, взмываемых вверх, равно количеству осаждающихся наносов, имеет место стационарное состояние. При количестве на­носов, взмываемых вверх, большем количества осаждающихся наносов, происходит размыв дна моря. При количестве наносов, взмываемых вверх, меньшем количества осаждающихся наносов, происходит намыв дна. Действие волнения и течения в одном на­правлении на мелководных участках является основным. В этом же направлении идет и перемещение наносов.

Исследования гидрологического режима Азовского моря с помощью синхронных выездов на постоянные станции (1930— 1931 гг.), стационарные наблюдения на плавучих маяках (1934— 1935 гг.), изучение заносимости каналов с помощью рейдовых выездов (1929—1935 гг.) и на стационарном пункте (1930 г.), и на стационарных наблюдательных пунктах, построенных у бровок каналов (Ждановского — 1954 и 1955 гг. и Бердянского— 1956 г.), позволили широко изучить течения, волнение и наносы.

Таблица 23 Средние и максимальные мутности воды по горизонтам

Из приведенной таблицы и других материалов установлено, что резкое возрастание мутности воды начинается со скорости вет­ра 10 м/сек. При слабых и свежих ветрах (до 10 м/сек) мутности

Зависимость между ветром и мутностью воды при развитии сильного сгонного шторма по данным наблюдений па восточном стационарном пункте в ноябре 1954 г. приведена в табл. 23.

у дна значительно выше, чем по остальным горизонтам. Увеличе­ние скорости ветра выравнивает распределение мутности по го­ризонтам (при илистом дне).

С увеличением глубины динамическое воздействие морского потока на дно уменьшается (табл. 24). На глубине, равной при­близительно длине волны, влияние волнения на дно моря практи­чески прекращается.

Для характеристики морских наносов Азовского моря их гра­нулометрический состав в зависимости от режима ветра приведен в табл. 25.

Таблица 25

Гранулометрический состав наносов при залегании на дне илистых грунтов

Взвешенные наносы

Таблица 24

Распределение взвешенных наносов в зависимости от глубины и скорости ветра

Гранулометрический состав наносов, взятых прибором Шапо­валова, приведен в табл. 26, из которой отчетливо видно его изме­нение по горизонтам, глубине, а также в зависимости от режима ветра.

Гранулометрический состав взвешенных наносов по горизонтам на участке моря, сложенном илами слабо песчаными

Глубина 3 м

В морской воде наносы не имеют высокой степени дисперсности. Благодаря содержанию солей, тончайшие частицы коагулируют и создают фракции, преимущественно близкие к 0,01 мм и круп­нее, что отличает их от речных наносов. При илистом дне морские наносы представлены мелкими фракциями, находящимися в агре­гатном состоянии. Содержание песчаных фракций не превышает 12'% в придонных слоях и 8% во взвешенном состоянии. При распространении на дне моря илов слабо песчаных во взвешенном состоянии находятся тонкие песчаные фракции до 20%.

Наиболее эффективное движение наносов происходит при пере­ходе поступательной волны в волну перемещения, т. е. в самой прибрежной части моря, где глубина его составляет 2h или h. Наносы, образующиеся при разрушении берегов, могут переме­щаться различными видами течений. На развитие и формирование дельт оказывают влияние речные и приливно-отливные течения. Наиболее активно действуют на берега волновые течения, создаю­щие прибрежные течения, несущие наносы. Приливы и отливы можно рассматривать как большие волны, орбиты которых на мелководье принимают плоскую форму. При приливе масса воды движется к берегу, при отливе — к морю. Скорость приливно-от­ливных течений составляет 2,5—3,5 м/сек и может достигать 6 м/сек. Увлекающая и размывающая сила таких течений огром­на и они играют большую роль в перенесении береговых наносов, возникающих от размыва берегов волнами и откладываемых река­ми. Ветровые течения, идущие вдоль берегов на мелководье, пере­мещают наносы, неся материал, смытый с береговых обрывов, и речные наносы, скапливающиеся в дельтах.

При развитии колебательной (поступательной) волны масса воды вначале движется вперед под гребнем, затем назад под впа­диной. На малых глубинах при ровном дне колебательные движе­ния волны создают передвижение наносов по направлению движе­ния волны. Зыбь вызывает перемещение наносов к берегу. При волне перемещения массы воды от поверхности до дна движутся вперед, затем останавливаются и снова движутся вперед. Набега­ние волны перемещения вызывает общее перемещение взвешенных наносов в направлении движения воды. Для движения донных наносов характерно прекращение перемещения в течение каждого периода волны на небольшой промежуток времени, что отличает их от взвешенных наносов. Обратное движение воды медленнее и поэтому менее эффективно. При правильных волнах наносы на­правляются к берегу даже на по­катом дне. Они идут вверх до тех пор, пока их скопление на скло­не не создаст такую крутизну, при которой обратная волна бу­дет уносить весь материал. Ес­ли берег имеет значительную крутизну, то стекающая вода воз­вращает больше материала и бе­рег подвержен размыву. При пе­ремещении песчаных наносов вдоль подводного берегового склона основную массу составляют донные наносы. Характерно, что на галечном побережье гравий и галька, перемещающиеся по дну при обратной волне, издают специфический шорох.

При подходе волны к берегу в косом направлении возникает продольное перемещение наносов. По теоретическим соображени­ям скорость берегового перемещения наносов является наиболь­шей, когда угол подхода к берегу близок к 45°. Песчаные наносы перемещаются преимущественно во взвешенном состоянии. Взве­шивание наносов во вдольбереговом потоке происходит под дей­ствием турбулентности разрушающихся волн и благодаря турбу­лентности самого потока. В прибрежной зоне под влиянием сил инерции прибойный поток идет вверх по откосу пляжа по направ­лению волнового луча, затем под влиянием силы тяжести скатыва­ется вниз. Наносы, имея движение с прибойным потоком, опи­сывают кривые, близкие к параболе (рис. 19). Продвижение их зависит от угла подхода волны к берегу, ее интенсивности, грану­лометрического состава наносов и уклона поверхности пляжа. Донное продольное перемещение наносов при косом подходе вол­ны к берегу идет по склону в направлении равнодействующей силы прибрежного потока и силы тяжести. На отмелых морских побережьях существует преимущественное направление наносов вдоль берега в одну сторону. Поток наносов идет по всей ширине полосы забуруниванйя волн до глубины, равной трехкратной вы­соте штормовой волны. На мелководных песчаных побережьях

наибольшее насыщение наносами наблюдается в месте забурунивания волны. Вот почему в этой зоне и образуются песчаные валы, расположенные обычно параллельно берегу в 2—4 ряда (см. рис. 18). На иловатых побережьях подводные валы не наблю­даются.

Галечные наносы сосредоточиваются непосредственно у берега, и их перемещение происходит в приурезовой полосе преимущест­венно под влиянием волнения. В зависимости от угла подхода волны изменяется интенсивность продольного перемещения галеч­ных наносов. На Кавказском побережье Черного моря скорость перемещения галечных наносов составляет 100 м в сутки. Их рас­ход у Сочи порядка 24—32 тыс. м³ в год, у Гагры — около 15— 20 тыс. м³ в год. Заполнение внешних углов оградительных соору­жений галечными наносами зависит от расположения берега по отношению к энергетической равнодействующей. Песчаные нано­сы залегают на берегах с более пологим подводным береговым склоном. Перемещение их вдоль берега происходит по ширине от зоны разрушения волны до границы наката волны на берег и преимущественно вдоль подводных валов. Скорость перемещения песка варьирует в пределах 2—5 км/ч, а объем наносов — от 30 тыс. до 1 млн. м³ в год. Мощность прибрежного потока песчаных наносов в год определяется по величине наносодвижущей силы (выводится из энергии ветра — § 63). Залегание илистых наносов в пределах подводного берегового склона наблюдается при незначительных его уклонах. В этом случае береговые усту­пы сложены преимущественно глинистыми грунтами и довольно интенсивно размываются. У таких берегов, имеющих незначитель­ный уклон подводного берегового склона, порты не строятся. Под­водные валы здесь не образуются. Однако процесс передвижения илистых наносов вдоль берега достаточно не изучен.

Возведение внешних оградительных сооружений на открытых морских побережьях препятствует продольному перемещению на­носов, и со стороны их преимущественного движения (первого наветренного мола) происходит накапливание наносов и заполне­ние внешнего угла между берегом и молом (образование прим­кнувших аккумулятивных форм). С подветренной стороны мола идет размыв берега. При строительстве парных молов нужно доводить их до внешнего края полосы забурунивания, чтобы из­бежать отложения наносов между молами и с подветренной сторо­ны (в волновой тени мола). Процессы накопления наносов у пор­товых сооружений могут протекать весьма активно.

Например, Бразильский порт Цеара, построенный на песчаном берегу, был образован сплошным волноломом, вытянутым вдоль береговой линии. Волно­лом соединен с берегом сквозным виадуком. Порт оказался полностью занесен­ным песком через 17 лет.

Таким образом, применение одних волноломов без молов на песчаных бе­регах для защиты от волнения оказалось недостаточным из-за блокировки об­разованной акватории наносами (рис. 20).

Волновой поток наносов активно действует вдоль косы Чушки Керчь-Ени- кальского пролива. Построенные здесь молы задержали песчаные наносы. У се-

веро-восточного мола (наветренная сторона) началось скопление песка и вы­движение берега. За период в 6 лет (1952—1958 гг.) берег выдвинулся вдоль мола на 330 м. Наносы начали обтекать мол и создавать заносимость прорези канала у входа в порт. Такой же характер движения наносов наблюдается на восточном берегу Индии (Бенгальский залив). Здесь был построен порт Мад­рас с двумя молами на акватории, расположенными перпендикулярно к бе­

регу. Наносы довольно быстро заполнили внешний угол южного мола, обошли его и начали засыпать вход в порт, что вынудило закрыть главные (старые) ворота и устроить другой, боковой, вход с севера под прикрытием шпоры (рис. 21). В последующем южный мол у корня был частично разобран, а в на­носных отложениях вычерпан ковш.

РАЗДЕЛ Б ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО ПОРТА