53 Донные наносы

При относительно крупных наносах со скоростью выше на чалыюй скорости трогания частиц начинается массовое перемеще ние наносов по дну и сразу же формируются так называемые микроформы — грядовые образования несимметричного профиля В различных условиях образования микроформы могут быть с кри нелинейными короткими или прямыми длинными гребнями В пер вом случае эти образования получили название рифелей, которые в тане имеют чешуйчатый вид, во втором случае — плоских гряд

Рис 5 3 Микроструктуры на дне моря

Многие авторы высказывают предположение, что образование рифелей связано с турбулентностью струйного течения, образование же гряд обусловлено воздей ствием на дно среднего пото ка, характеризующегося сплошностью течения (отсут ствием отдельных струй) При малых расходах турбу лентность потока невелика, поперечное перемешивание Достаточно слабое и может возникнуть струйная струк тура потока, что обусловли вает образование рифелей Ecin же при малых расхо 'Wx, а следовательно, при малых скоростях и уровнях поток идет одной струей, то

159

микроформы будут генерироваться в виде плоских гряд. Наблю­дать микроформы в естественных условиях в реках достаточно сложно, но очень хорошо видны рифели в море при слабом трех­мерном волнении и длинные плоские гряды при отливном течении (рис. 5.3), когда при спокойном рельефе скорости поперек течения практически не меняются.

В зависимости от крупности частиц образование рифелей начи­нается при различных значениях придонной скорости. Так, на по­верхности дна, сложенного песком с крупностью 0,1... 0,3 мм, об­разование рифелей начинается при скорости в придонном слое ~0,20 м/с. Высота рифелей обычно составляет А = 0,02... 0,05 м, а расстояние между гребнями bid = 0,2 ... 0,3 м.

Генерацию первичных микроформ для условий поступательного потока большинство исследователей связывают с образованием вихревой зоны за случайными неровностями дна. При донной ско­рости больше начальной ско­рости трогания высота таких критических неровностей долж­на быть порядка крупности частиц, что всегда можно ожи­дать при песчаном дне. Под воздействием образовавшегося за препятствием вихря (рис. 5.4, а) с восходящей задней ветвью частицы сдвигаются в сторону препятствия, наращи-

Рис. 5.4. Схема происхождения рифелей:

а — образование первоначального вихря; б — формирование рифелей; / — первоначальная неровность на дне, 2 — первоначальный вихрь, 3 — верховой (наветренный) откос; 4 — вихре­вая зона; 5 — гребень; 6 — подвалье, 7 — ни-човой (подветренный) откос

вая его по высоте. Это в свою очередь вызывает увеличение размеров вихря и скорости по­тока над гребнем препятствия, что приводит в итоге к взвеши­ванию частиц с гребня. Часть из них переносится потоком ни­же по течению, где образуется возвышение дна, обусловлива­ющее генерацию нового гребня, взвешивание частиц и т. д. Проис­ходит развитие системы рифелей (рис. 5.4,6). Под действием при­донного течения частицы на наветренной стороне рифеля движутся к гребню и затем скатываются с гребня в подвалье. Некоторые частицы, взвешенные с гребня вихрем, падают на его подветренную сторону, наращивая ее. Таким образом, наветренная сторона рифе­ля размывается, частицы с наветренной стороны передаются на подветренную и рифели медленно смещаются вниз по течению со скоростью на три порядка меньше скорости течения.

С увеличением скорости размеры рифелей растут, увеличива­ются вихревая зона и скорость на восходящей ветви вихря, воз­растает общая турбулизация потока, что приводит к массовому взвешиванию частиц и либо к стиранию рифелей и последующему

160

формированию плоских гряд, либо к перестраиванию рифелей не­посредственно в гряды. В первом случае между фазой рифелей и фазой гряд может быть гладкая фаза, при которой наблюдается массовое перемещение слоя наносов. Развитие гряд происходит путем увеличения их высоты и расстояния между гребнями — фор­мируются так называемые мезоформы. При этом различают: плос­кие гряды, которые появляются в виде микроформ с началом пе­ремещения частиц и развиваются с увеличением расхода воды, скорости течения и глубины потока до размеров, соответствующих морфометрическим характеристикам русла, иногда занимая всю ширину русла; так как гребень плоской гряды в ее центральной части повышен, то при падении уровня образуется осередок *; перекошенные гряды, которые образуются при более интенсивном перемещении наносов, чем в случае плоских гряд; эти гряды могут занимать всю ширину русла или часть его, имеют неодинаковую высоту гребня по длине, обычно наибольшую у берега; при паде­нии уровня образуются так называемые побочни**, расположен­ные в шахматном порядке — то у одного берега, то у другого — крутые гряды, которые образуются при больших скоростях тече­ния и большом расходе наносов. Длина гребня этих гряд меньше ширины русла. Обычно в русле располагается несколько таких гряд и при понижении уровня появляется целая группа побочней. Самые крупные гряды создаются при максимальных расходах и достигают на крупных реках значительных размеров: высота их может составлять (0,4 ... 0,5) d, расстояние между гребнями — не­скольких километров и длина гребня — порядка ширины потока. Размеры гряд определяются морфометрическими характеристика­ми русла. Крупные гряды перемещаются (сползают вниз по те­чению) при максимальном многолетнем расходе. При уменьшении расхода и скорости течения созданные раньше гряды останавли­ваются, и на их поверхности формируются меньшие гряды второго, третьего и т. д. порядка, при перемещении которых срабатывается гребень первоначальной гряды и засыпается ее подвалье. Если после образования предельно крупных гряд при определенных морфометрических характеристиках русла расход воды и скорость течение возрастает, гряды стираются и наступает гладкая фаза перемещения наносов.

При бурном потоке после гладкой фазы формируются крупные волнообразные (симметричные) структуры, которые находятся в фазе с волной на поверхности воды. Частицы, расположенные на «подветренном» склоне вышележащей гряды, переносятся течени-

* Осередок—отделенные от берегов скопления наносов в русле реки в виде невысоких, обычно без растительности, затопленных или частично осушенных подвижных островов или отмелей, преимущественно продолговатой, вытянутой по течению формы.

** Побочень — прибереговая часть крупной перекошенной в плане гряды, обсыхающая в межень.

6—1324 161

162

Рис. 5.5. Номограммы для определения расхода донных наносов при

разных значениях глубины, скорости потока и диаметра частиц:

а—для rf_par=0,2 мм, б —для d_par = 3,0 мм, в — для d_par=5,0 мм; цифры

у кривых — значения скорости, м

ем на «наветренную» сторону нижележащей, и структура смеща­ется вверх по течению. Такие образования получили название ан-тидюн.

При рассмотрении грядовой формы движения донных наносов определяют элементы гряд, в том числе крутизну и скорость пе­ремещения и расход наносов, для чего предложено различными авторами большое число формул. Не приводя здесь этих формул, укажем, что для определения расхода наносов при грядовой фазе и при гладкой (второй) фазе движения наносов в [3] рекоменду­ются зависимости, полученные на основании уравнения транспорта наносов, предложенного И. В. Егиазаровым. При этом отмечается, что расход наносов в грядовой фазе пропорционален скорости те­чения в кубе, в гладкой фазе — скорости течения в четвертой сте­пени. Грядовая фаза переходит в гладкую, если

(5.14)

где и — средняя скорость на вертикали; dy>— медианная круп­ность (при обеспеченности р = 50% по кривой зернового состава). Для практических расчетов расхода донных наносов можно ре­комендовать номограммы Н. С. Знаменской (рис. 5.5).