Глава 5

РЕЧНЫЕ НАНОСЫ И ТВЕРДЫЙ СТОК. РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

5.1. Общие представления о наносах

Речными наносами называют твердые минеральные частицы вне зависимости от крупности, которые переносятся русловым по­током и при определенных условиях образуют русловые и поймен­ные отложения. Речные наносы образуются главным образом в результате водной эрозии, т. е. разрушения поверхности земли под действием текущих вод. Водная эрозия может быть склоновая и русловая. Склоновая эрозия представляет собой процесс разруше­ния и смыва продуктов разрушения со склонов площади бассейна дождевыми и талыми водами. Интенсивность склоновой эрозии зависит от количества осадков, состава почвогрунтов, рельефа местности, густоты овражно-балочной системы бассейна, характе­ра и количества растительности, степени и видов хозяйственного использования площади. Часть продуктов разрушения не попа­дает в реку, так как задерживается в понижениях земной поверх­ности, в оврагах и суходолах. В южных районах, где сухой климат, растительность бедна, почвы меньше содержат гумуса, эрозия протекает более активно, чем в районах достаточного увлажнения.

Русловая эрозия заключается в размыве русловыми потоками дна и берегов русла и склонов долины. Интенсивность этого процесса зависит от энергии текущей воды и характера пород, слагающих русло и долину. Энергия текущей воды, в том числе и руслового потока, определяется расходом и падением: чем боль­ше расход воды и падение руслового потока, или реки, на единицу длины, тем больше ее эрозия. Твердые (скальные) породы размы­ваются значительно слабее, чем рыхлые (пески, глины, суглинки и т. п.).

152

На равнинах водная эрозия протекает значительно слабее, чем в горной местности, за исключением скальных массивов. Соотно­шение между количеством наносов, поступивших в реку за счет склоновой эрозии, и количеством наносов, образовавшихся в ре­зультате работы самой реки, зависит от физико-географических факторов и меняется по длине реки (достаточно крупной). Часть этих факторов связана с географическими зонами и получила название зональных (климатические условия, сток, характер и распределение почв и растительности и др.); другая часть факто­ров не связана с географическими зонами — это так называемые азональные факторы (рельеф местности и геологическое строение).

Воздействие потока на русло проявляется в размыве (началь­ная стадия), переносе материалов размыва и их отложении (акку­муляция). В равнинных реках размыв обычно наблюдается в верх­нем течении и аккумуляция — в нижнем. Поток может размывать не только дно (глубинная эрозия), но и берега русла и долины (боковая эрозия). В результате русло и берега смещаются в пла­не, что приводит к расширению долины и образованию извилин. Этот случай эрозии особенно интенсивно происходит в среднем и нижнем течении реки.

Продукты разрушения пород и почвогрунтов, попав в русло реки, перемещаются потоком вниз по течению.

В зависимости от характера движения твердых частиц (нано­сов) в потоке различают взвешенные и донные наносы. Взвешен­ными наносами называют совокупность частиц грунта, обычно наиболее мелких (илистых частиц, мелкого песка), которые, оторвавшись от дна под воздействием скорости течения воды, находятся во взвешенном состоянии достаточно длительное время Перемещение взвешенных наносов определяется общим потоком воды. Скорость перемещения взвешенных наносов приближается к скорости течения воды тем больше, чем мельче частицы. Наи­большая концентрация взвешенных наносов и ее наибольшие градиенты наблюдаются в придонном слое толщиной (0,1 ... 0,2) с?, где d — глубина воды. В основной толще потока от z = Q до z = = (0,8... 0,9)d концентрация взвешенных наносов и ее градиенты значительно меньше, чем в придонном слое.

Донными наносами называют совокупность частиц, как прави­ло, наиболее крупных (крупный песок, гравий, галька), которые в процессе своего движения под воздействием потока воды не от­рываются от дна или отрываются на очень короткое время.

В соответствии с этим донные наносы могут быть разделены на влекомые, которые перемещаются по дну скольжением и каче­нием, и на полувзвешенные, которые перемещаются скачками (сальтируют), приподнимаясь над дном на расстояние одного по-Рядка со своим размером. Обычно в речной гидравлике разли­чают наносы рельефообразующие — это главным образом донные ианосы, и транзитные, которые представлены в основном взвешен­ными наносами. Граница между взвешенными и донными наносами

153

условна, так как при возрастающей скорости наносы, перемещав­шиеся качением или скольжением, при определенной скорости от­рываются от дна и переходят в категорию взвешенных наносов и, наоборот, с уменьшением скорости часть взвешенных наносов вы­падает на дно и продолжает движение как донные наносы.

В общем случае на частицу, находящуюся на дне и обтекаемую потоком воды, действуют лобовое давление, инерционные силы, силы трения о дно, вертикальные гидродинамические силы, силы градиента давления, развивающиеся при неустановившейся фильт­рации через поверхность дна, сложенного наносами, и силы тя­жести. Так как некоторые из этих сил малы, то в упрощенных схемах принимают обычно во внимание силу лобового давления Pf_r (Н), подъемную силу Рщ (Н) и вес частицы в воде G_par (Н). Природа силы лобового давления связана с обтеканием частицы потоком и при значительных скоростях течения пропорциональна квадрату скорости. Подъемная сила направлена нормально к век­тору скорости течения. Ее возникновение связано с обтеканием частицы потоком, обладающим большим градиентом скорости в пределах придонного слоя. В результате разницы скоростей на верхней и нижней гранях частиц давление сверху будет меньше, чем снизу; эта разница и определяет подъемную силу, которая, так же как и лобовое давление, пропорциональна квадрату ско­рости. Вес частицы наносов в воде определяется разницей в плот­ности частиц р_раг и воды p_w (кг/м³). Все эти силы зависят от фор­мы частиц, которая может быть самой разнообразной. При выводе формулы устойчивости частицы принимается ее форма в виде пра­вильных геометрических фигур. Если принять частицу в виде ша­ра, то для свободно лежащей на дне частицы уравнение равнове­сия запишется так:

(5.1)

где f — коэффициент трения.

Входящие в (5.1) силы могут быть выражены в зависимости

ОТ ПрИДОННОЙ СКОрОСТИ Vbot И КруПНОСТИ ЧаСТИЦ dpar-

(5.2)

Подставив (5.2) в (5.1), после преобразований получим

(5.3)

При малой придонной скорости частицы находятся в покое, затем с увеличением скорости частицы начинают вздрагивать, ко-

154

лебаться и, наконец, теряя устойчивость, перекатываются или скользят по дну. Скорость, при которой частица теряет устойчи­вость, называют начальной донной скоростью трогания v_bei- Ее значение легко получить из (5.3), если приравнять левую часть нулю. Тогда

(5,4)

где k — коэффициент, зависящий от плотности и крупности частиц наносов и вязкости воды; р'= (р_рат—рш)/р„,— относительный вес частиц наносов в воде: для речных наносов р'л;1,65 (при плотности воды р_ш = = 1000 кг/м³ и плотности

частиц р_рал=2650 кг/м³).

Значение Vbei можно оп­ределить по кривой рис. 5.1. С дальнейшим увеличением скорости подъемная сила возрастает настолько, что частица отрывается от дна и переходит из придонного слоя в толщу потока.

Рис. 5.1. График зависимости начальной

скорости трогания частиц насосов от их

диаметра

В настоящее время еди­ной точки зрения о механиз­ме отрыва частицы от дна не существует. Ряд авторов считают, что частица отры­вается от дна под воздействием вертикальной составляющей пуль­сации скоростей турбулентного потока. С увеличением средней ско­рости наступает момент, когда подъемная сила настолько возрас­тает, что частица становится как бы невесомой и малейший верти­кальный импульс отрывает ее от дна.