Таблица 39

Расчет твердого стока за период шторма с 20/х1 по 25/х1—1954 г.

В 1955 г. наблюдения иа Ждановском канале проводились с двух стационарных постов (рис. 44), установленных у бровок ка­нала по линии, совпадающей с направлением господствующих ветров и течений (по азимуту 48—228°). Наблюдения позволили проследить за изменением параметров волн, направлением тече­ний и осветлением потока за счет выпадения части наносов в про­резь канала. Расчет количества наносов, выпадающих из морского потока в прорезь при пересечении им канала в периоды действия сильных и крепких сгонных ветров, насыщение морского потока наносами и данные фактического слоя наносов по промеру за эти же периоды сведены в табл. 40.

Данные расчета слоя наносов (заносимости) по промеру и насыщенности морского потока наносами на Ждановском канале за 1955 г.

Из табл. 40 можно установить, что при действии сильных и крепких сгонных ветров в среднем до 14% наносов выпадает в прорезь канала. За период же действия сильного сгонного штор­ма выпадение наносов в прорезь канала составило до 10%.

Результаты обработки наблюдений за трансформацией волн, пересекающих канал, по наблюдениям гидрофизического инсти­тута Академии наук волномерами Иванова сведены в табл. 41.

Таблица 41

Средние и максимальные значения параметров волн по наблюдениям фотоволнографами Иванова на морских постах Ждановского канала

Энергия волнения до канала и за каналом по наблюдениям на Ждановском канале

По данным исследований выпадение наносов в прорезь канала обусловливается следующими причинами:

на больших искусственных глубинах в канале по сравнению с естественными глубинами происходит изменение динамическо­го состояния морского потока, т. е. уменьшение элементов волне­ния и орбитальной скорости (турбулентности), что вызывает изменение его емкости (вмещение в потоке наносов) и выпадение части наносов в прорезь канала. (Емкость потока — макси­мальное количество наносов, перемещаемых течением и волнением н а мелководье в единицу времени);

в морском потоке вследствие действия орбитальной скорости интенсивность турбулентного перемешивания, обусловленная ско­ростью его движения, то повышается, то ослабляется. При ослаб­лении турбулентного перемешивания часть наносов осаждается на дне моря и прорези канала, причем не все наносы будут взмыты вновь из прорези из-за большей по сравнению с естественной глу­биной канала, что вызывает постепенное накапливание в нем наносов;

уменьшение турбулентного перемешивания и полное его пре­кращение вызывают выпадение наносов из морского потока на дно моря и прорези канала, что также создает накопление наносов в прорезн канала.

Указанные процессы отложения наносов в каналах действуют одновременно и их разделить невозможно.

При насыщении морского потока наносами он должен терять скорость, так как при этом увеличивается его плотность. Таким образом осаждение наносов в прорези канала происходит вслед­ствие изменения динамического состояния морского потока при пересечении канала и вследствие его турбулентной структуры. При интенсивной турбулентности, вызываемой штормовыми ветра­ми, идет более интенсивное насыщение морского потока наноса­ми, что и приводит к активному отложению наносов в прорези канала. В период отложения объемный вес илистых наносов не превышает 1,18 т/м³ ,затем они уплотняются и объемный вес до­стигает 1,35—1,40 т/м³. Насыщение морского потока наносами

происходит со дна моря. По мутности воды можно определить, какая толщина слоя наносов может переходить во взвешенное состояние. Данные наблюдений в районе Ждановского канала по­казали, что при мутности воды в 5500 г/ж³, вызванной штормовой погодой до 11 баллов, толщина слоя взмученных наносов со дна составила 2 см. Верхний активный слой наносов то переходит во взвешенное состояние, то вновь оседает на дно залива. Как пока­зали наблюдения, на глубинах 2—7 м насыщение морского пото­ка илистыми наносами зависит от глубины водоема и интенсив­ности течения и волнения. Увеличение или уменьшение скорости течения и интенсивности волнения вызывают соответствующее увеличение или уменьшение количества наносов в морском пото­ке. При постоянном режиме течения и волнения нового поступле­ния наносов со дна моря не происходит. Вертикальное распределе­ние наносов в морском потоке в зависимости от грунтовых усло­вий приведено в табл. 43 [наблюдения произведены в Керчь-Еникальском проливе при течениях вдоль пролива со стороны Азовского моря (Азовское течение) и скорости ветра 18— 20 м!сек\.

Вертикальное распределение наносов в зависимости от грунтовых условий

Как было сказано выше, в морской воде тонкодисперсные ча­стицы коагулируют и получаются фракции, близкие к 0,01 мм.

Таблица 43

Поэтому выделены только фракции песчаные и пылеватые, кото­рые не коагулируют. Разделение фракций мельче 0,01 мм не про­изводилось. Данные табл. 43 показывают, что при залегании или­стых грунтов распределение наносов по вертикали довольно равномерное: наносы преимущественно находятся во взвешенном состоянии-

На песчаных морских побережьях наблюдается вдольбереговой поток наносов, направленный преимущественно в одну сторону. Поток наносов идет по склону берега от его уреза до определен­ной глубины, зависящей от ветрового режима, гидрологических условий района и уклона берега. Сооружение порта и канала на таком побережье вызывает скопление наносов с внешней стороны оградительных сооружений и заносимость входа в порт и канал.

Внутренняя заносимость морских каналов в основном вызывает­ся деформацией откосов прорези. После образования в грунтах землечерпательным снарядом искусственной прорези в виде пря­моугольной призмы, из-за нарушения связей происходит обруше­ние боковых откосов и, тем самым, нарушается равновесие в грунтовой массе. В нарушении равновесия грунтовой массы уча­ствуют и гидрологические факторы, действующие на измененный рельеф. В последующем боковые стенки прорези канала прини­мают откосы, соответствующие грунтам, в которых вычерпана прорезь. Деформация откосов создает заносимость прорези.

На основании анализа данных по промеру поперечных профи­лей каналов, имеющих разные направления и грунтовые условия, автором определены значения углов откосов прорезей каналов (табл. 44).

Значения углов откосов Таблица 44

Таблица 44

При производстве дноуглубительных работ земснаряды раз­рабатывают прорезь, имеющую довольно ровное дно. Чистота выработки прорези зависит от конструкции земснаряда, грунто­вых условий, метеорологической обстановки и опытности багер­мейстера. После прохождения земснарядом профиля начинается его формирование (уполаживание откосов прорези) и процесс за­носимости прорези от внутренних и внешних причин. Если по ка­налу нет движения судов, происходит постепенное отложение наносов в прорези. Так, например, в законченной строительством опытной прорези в восточной части Азовского моря в 10 км от южного берега (длина 1160 м, глубина 1,5—1,7 м) за 3,5 года (1Х-1926 г. —II-1930 г.) отложился довольно ровный слой или­стых наносов толщиной до 94 см (заносимость за год составила в среднем 22 см, или около 14%). Такого же характера были по­перечные профили и на Ждановском канале, когда движения по нему не было (1942—1945 гг.).

Исследованием поперечных профилей, заснятых эхолотами, установлено, что в распределении наносов и в выработке попереч

иого профиля морского канала большую роль играет движение по каналам крупнотоннажных судов, создающих корабельные вол­ны. Исследование движения судов с достаточной полнотой прове­дено на речных каналах. Для прорезей каналов Мариинской си­стемы установлено, что носовые волны от судов, идущих по кана­лу, вытягивают из откосов по высоте около 50 см от стоящего уровня мелкие частицы грунта, затем обратная волна с силой уда­ряется в них и выбивает грунт, который падает в канал и способ­ствует энергичному отложению «намоев». По оси канала под влиянием сил, возникающих от движения винтов, дно подвергается значительному размыву, и продукты его опять-таки оказываются отброшенными к откосам, увеличивая массу «намоев», образовав­шихся от сползания подводных и разрушения надводных откосов. Благодаря описанным выше явлениям профильканала принима­ет следующую форму: углы у подошвы откосов^Ъказываются со­вершенно замытыми, к средней части толщина «намоев» постепен­но уменьшается, а в средней части они отсутствуют и здесь про­исходит размыв дна канала. Для предохранения от размыва при движении судов производят крепление откосов.

Морские каналы имеют жесткий профиль в нижней части (прорезь канала) и жидкую среду выше бровок канала. Так как вода несжимаема, то можно считать, что и выше бровок имеется полужесткое ограничение.

В 1954 г. в морской части одного из каналов, проложенного по мелководью, были проведены ремонтные дноуглубительные рабо­ты. В последующие годы ремонтное черпание не производилось и канал начал заиливаться. В 1959 г. на участке А этого канала (рис. 45, а) были произведены дноуглубительные работы. На уча­стке Б, примыкающем к участку А, дноуглубительных работ не было с 1954 г. и его поперечные профили приняли треугольную форму под влиянием судоходства на канале. В центральной части профиля заносимость наименьшая, в то время как у бровок на­блюдаются значительные скопления наносов (рис. 45,6). Бровки на этом участке мелководные. После проведения дноуглубитель­ных работ в 1959 г. на участке А прорезь канала приняла трапе­цеидальную форму (рис. 45, а), но спустя несколько месяцев после дноуглубительных работ уже наметилось переформирование про­филя в результате отложения наносов и движения по каналу су­дов: в средней части профиля глубины сохранились, а наносы со­средоточились у бровок.

Дноуглубительные работы на канале к одному из портов про­изводят ежегодно. После ремонтных работ поперечные профили на этом канале имеют более или менее правильную форму, но затем начинают вырабатываться вполне определенные формы профилей с минимальной заносимостью в средней части и боль­шим отложением наносов около бровок (рис, 46).

Описанные формы поперечных профилей были выработаны под влиянием заносимости морских каналов и движения судов на них. При движении судов возникающие корабельные волны

дважды проходят по откосам прорези канала, вызывая их размыв и отложение наносов у подошвы откосов. По ходу судна наносы винтами отбрасываются из центральной части прорези к бровкам.

Поперечные профили морских каналов обычно имеют следующую форму: в центральной части расположены наибольшие глубины, создаваемые размывом дна прорези винтами крупнотоннажных судов, а у бровок — минимальные вследствие отложения здесь наносов. Одесским институтом инженеров морского флота были поставлены специальные лабораторные исследования волнового

сопротивления судна в каналах. В результате этих исследований и нормах технологического проектирования морских каналов (ВНС—19—70,ММФ) были приняты ограничения в скорости дви­жения судов на каналах.

Для уменьшения перераспределения наносов, после производ­ства ремонтных дноуглубительных работ, необходимо закладывать откосы прорези канала строго в соответствии с грунтовыми усло­виями, чтобы уменьшить их размыв при движении судов. Явления перераспределения наносов по профилю канала под влиянием су­довождения нужно отнести к внутренней заносимости каналов.

Заносимость прорези канала наносами из морского потока (внешняя заносимость) зависит от литологии верхнего слоя грун­тов, покрывающих дно моря, угла пересечения канала волнами и течением, вызываемых ветром, и окружающих канал глубин. Литология изучает механический и химический состав осадочных пород, условия их образования и процессы изменения, а в морских условиях, кроме того, осаждение и изменение состава наносов. Чем мельче наносы, тем легче они подвержены взмыванию. Распре­деление наносов по вертикали будет зависеть от крупности частиц и агрегатов и скорости морского потока.

При пересечении канала морским потоком путь его в пределах канала будет меняться. Наибольшая заносимость в условиях од­ной и той же емкости морского потока будет происходить при пересечении потока нормально каналу. При других направлениях всегда будет возникать движение вдоль канала, создающее до­полнительные условия для выноса наносов из канала. Такой вы­вод сделан на основании изучения заносимости морских каналов, имеющих разные направления по отношению к господствующему движению морского потока.

Емкость морского потока изменяется не только от гидрологи­ческих условий, но и от глубины самого водоема — с ее увеличе­нием емкость уменьшается. При одной и той же отметке черпания участки канала, находящиеся в зоне увеличивающихся естествен­ных глубин и уменьшающихся глубин самой прорези, имеют мень­шее количество откладывающихся в ней наносов (процент же за­носимости канала по длине изменяется незначительно).

Для характеристики заносимости на четырех морских каналах выделены участки протяженностью 5 км, на которых забровоч- ные глубины приблизительно одинаковы, а прорези каналов про­ходят в илистых грунтах — каналы А, Е, Г и в илах песчаных — канал Б (табл. 45).

Из табл. 45 следует, что заносимости каналов, отнесенные к глубине каналов, весьма близки между собою. Отсюда напраши­вается вывод, что заносимости каналов пропорциональны общим их глубинам. Такой вывод может привести к ошибочному пред­ставлению, что любой из каналов Б, Е, Г, доведенный до глу­бины канала А, будет иметь ту же заносимость. Но у каждого канала есть свои особенности в режиме заносимости, и поэтому применение аналогий при проектировании каналов не всегда оп-

где а — коэффициент, представляющий основную характеристику но заносимости. Данные 20-летних наблюдений за заносимостыо на двухкилометровом участке одного из каналов показали, что при глубине прорези 3,8—4,2 м толщина наносов составила 0,8— 1,0 м, а коэффициент заносимости — 0,21—0,25.

Изменение заносимости морских каналов по времени может происходить под влиянием следующих причин:

обмеления забровочных глубин на каналах. Под влиянием об­щего заиливания водоема и свалок грунта естественные глубины водоемов постепенно уменьшаются. Вследствие обмеления бро­вок канала, при постоянной глубине канала, происходит увеличе­ние глубины прорези, что вызывает увеличение заносимости ка­нала;

изменения действия штормовых ветров. Установлено, что зано­симость каналов на мелководье зависит от гидрометеорологиче-

ского режима: чем больше штормовых ветров в течение навигации, тем выше насыщение морского потока наносами и тем больше за­носимость канала. При ледоставе заносимости канала почти не происходит и глубины, достигнутые осенью, не изменяются в течение всего ледостава. Для одного и того же канала, чем боль­ше период ледостава и период спокойной погоды, тем меньше го­довой слой наносов. Знание метеорологических условий и зано­симости каналов Азовского моря позволило связать заносимость канала с энергией волнения. Энергия волнения е определялась из учета энергии ветра для двух главных направлений движения

Р. Я. Кнапс для Балтийского моря (песчаное побережье) ре­комендует следующие расчетные формулы:

Эти формулы были использованы для расчета движения нано­сов по восточному берегу Балтийского моря. Они также служат для расчета передвижения наносов на песчаных побережьях дру­гих морей.

Водоемы, в которые впадают мощные реки, каким является, например, Таганрогский залив Азовского моря, имеют непостоян­ный солевой состав, что в свою очередь вызывает изменения ка­чественного состава взвешенных наносов. Весной и летом, когда материковый сток в залив максимальный и вода опреснена, плот­ность ее приближается к единице и коагуляции наносов почти не происходит. В осеннее время приток пресной воды сокращается, соленость Таганрогского залива резко увеличивается и крупность наносов, благодаря коагуляции наносов при той же турбулентно­сти, увеличивается. К таким водоемам относятся северо-западная часть Каспийского моря, Двинская губа Белого моря и др.

На выходе реки в море при встрече неподвижной массы мор­ской воды происходит затухание скоростей течения, выпадение наносов из взвешенного состояния и образование бара. Ширина бара зависит от расхода речного потока и его насыщения наноса­ми. При прорезании бара морским каналом на нем обычно от­кладываются наносы и в канале образуется наибольшая заноси­мость. Исследованию заносимости судоходных каналов, располо­женных в устьевых участках рек, уделяется большое внимание.

Особые условия режима наблюдаются в эстуариях, подвержен­ных приливно-отливным явлениям. Здесь образование отмелей происходит под влиянием сложного взаимодействия стокового и приливно-отливного течений. По мнению американских исследо­вателей, заиливание эстуариев вызывается частым смешением плотной соленой и пресной вод. При этом в эстуариях наблюда­ются:

хорошая слоистость, если приток пресной воды из реки велик по сравнению с приливной водой из моря;

частичное смешивание, когда приток пресной воды из реки и соленой воды из моря при приливе одинаков;

хорошее смешивание, когда приток пресной воды на реке мень­ше по сравнению с поступающей соленой приливной водой.

Место отложения влекомых и взвешенных речных наносов и возвращенных морским донным течением является зоной наиболь­шей заносимости.

Наличие большого ряда данных по заносимости каждого кана­ла и знание метеорологической и гидрологической обстановок этих каналов позволяют составить зависимость между толщиной слоя наносов и глубиной прорези, энергией волнения и объемом зано­симости и др.

Такие зависимости были составлены для Ждановского, Бердянского и других каналов, трассы которых проходят по или­стым грунтам.

Их молено составить и для каналов Балтийского, Каспийского и других морей.

Для Ждановского канала сделан расчет энергии волнения за 1955 г. и полученный результат (6,84 килоединицы) нанесен на график связи заносимости канала с энергией волнения (точка с кружком на рис. 47). По графику заносимость канала составила 1190 тыс. ж³, фактически— 1094 тыс. м³.

В табл. 46 приведена зависимость толщины слоя наносов для отдельных периодов с энергией волнения.

Таблица 46

Зависимость толщины слоя наносов от энергии волнения, вызываемого господствующими ветрами

Таким образом, при точном прогнозе метеорологической обста­новки на каналах на последующий год по месяцам или кварталам можно будет с достаточной точностью составить прогноз заноси­мости каналов.