5.6. Заиление водохранилищ

После возведения плотины и образования водохранилища из­меняются гидравлические характеристики потока: увеличиваются глубина, живое сечение, уменьшается скорость течения, снижается уровень турбулентности потока. В результате этих изменений происходит осаждение взвешенных наносов и прекращение дви­жения влекомых наносов в пределах части водохранилища. Этот процесс носит название заиления водохранилища, в результате чего формируется так называемое тело заиления. При заилении водохранилища снижается его роль как регулятора стока, умень­шается объем водохранилища, уменьшаются судоходные глубины в верхней части водохранилища, увеличивается площадь затопле­ния и подтопления в результате повышения уровня воды в водо­хранилище и изменения кривой подпора, который распростра­няется вверх по реке

Источниками наносов, осаждающихся на дне водохранилища, являются сток наносов главной реки и притоков, расположенных в пределах водохранилища, поверхностный сток с прилегающей к водохранилищу территории, размыв берегов водохранилища вол­нениями и течениями, перенос частичек грунта ветром (эоловое заиление). Однако основным источником заиления оказывается в подавляющем большинстве случаев твердый сток реки, что только обычно и учитывается при рассмотрении процесса заиле­ния водохранилищ. Остальные источники заиления рассматри­ваются в отдельных случаях при решении конкретных задач. Так, заиление водоема за счет разрушения берегов учитывается при высоких берегах, сложенных легкоразмываемыми породами, или при решении вопроса о заносимости акватории водозабора, рас-

172

положенного на берегу водохранилища; эоловое заиление имеет значение для небольших водоемов и прудов в засушливых райо­нах, где часто наблюдаются пыльные бури.

Рассматривая поступление твердого стока в водохранилище и его распределение по площади, выделяют три части водохра­нилища: верхнюю, среднюю и нижнюю. В верхней части гидрав­лические характеристики потока изменяются еще незначительно и поэтому отложения наносов невелики. В средней части гидрав­лические характеристики потока сильно изменены в результате подпора, и здесь выпадает основная часть наносов. В нижнюю часть водохранилища поступают наиболее мелкие глинисто-илис­тые частицы, которые относительно равномерно покрывают дно этой части водохранилища. Границы между указанными частями водохранилища нестабильны и со временем смещаются в сторону плотины. В то же время за счет повышения кривой подпора место ее выклинивания смещается вверх по реке и отложение наносов начинается выше по течению реки, где в первое время после заполнения водохранилища наблюдался транзит наносов при бытовом режиме реки

На реках с малыми уклонами место выклинивания кривой под­пора при изменении режима работы гидроузла, или водозабора, меняется в широком диапазоне и наносы откладываются на участке большой протяженности, не создавая концентрированных отложе­ний. На реках с большим уклоном, напротив, наносы отклады­ваются в месте резкого изменения гидравлических характеристик потока в виде бара. Взвешенные наносы формируют бар, распо­ложенный ближе к плотине, влекомые наносы останавливаются выше по течению и со временем, смещаясь вниз, перекрывают отложения взвешенных наносов.

По времени процесс заиления, по предложению ряда ученых, делится на три стадии: 1) режим заиления, при котором все на­носы аккумулируются в водохранилище и влияние заиления на транзит наносов не наблюдается; в этой стадии объем заиления нарастает во времени линейно; 2) режим заиления, когда тело заиления влияет на транзит наносов; переход от первой стадии ко второй определяется снижением объема водохранилища до значения W=8,3 w_rb, где w_rb — объем устойчивого русла в преде­лах длины водохранилища (см. ниже); интенсивность заиления снижается во времени по экспоненциальному закону; 3) режим, когда поступающие в водохранилище наносы проходят транзитом и сбрасываются в нижний бьеф — заиление водохранилища прек­ратилось, в этом случае расход наносов выше места выклинива­ния кривой подпора равен расходу наносов в створе плотины.

При прогнозировании процесса заиления водохранилищ опре­деляют общий срок заиления водохранилища, потери полезной емкости водохранилища, положение кривой подпора, характер хода заиления, границы зоны затопления в результате заиления и их изменение во времени, изменение судоходных глубин и др.

173

При расчете заиления используют показатели, связывающие па­раметры водоема с характеристиками стока воды и наносов. Показатель условной продолжительности водообмена

(5.21)

где W—объем водохранилища при НПУ (NWL), м³; Wft — сред­ний многолетний годовой сток воды в водохранилище, м³/год.

Показатель условной заиляемости t_cs (годы) определяет про­должительность полного заиления водохранилища при условии отсутствия сброса наносов в нижний бьеф:

(5.22)

где W_R — средний многолетний годовой сток наносов в водохра­нилище; 1ю_гъ — объем русла в пределах водохранилища от плотины до выклинивания кривой подпора, сформировавшегося в теле заиления на конец периода заиления (w_rb = L_wrb); L — длина этого русла с учетом извилистости, м; со_гь — средняя площадь попереч­ного сечения русла, м². Если Wrb^ W, то

(5.23)

Показатель наносоудерживающей способности /_а выражает долю годового стока наносов, осаждающихся в водохранилище:

(5.24)

где W _Rd — годовой вынос наносов из водохранилища.

При расчете заиления водохранилища учитывают назначение водохранилища, состав вопросов, подлежащих рассмотрению (см. выше), природные условия, основные показатели водохранилища, характеризующие процесс заиления (T_cd и t_cb).

Расчет начинают с определения срока заиления. Если /_cs>200 лет, то расчет срока заиления этим и ограничивается, влияние заиления на регулирующую способность водохранилища и положение кривой подпора не учитывают. В этом случае зна­чение t_C!i принимают за срок службы водохранилища и объем отложившихся наносов в водохранилище за какое-то число лет t, вычисляют путем умножения среднегодового стока наносов — взвешенных и влекомых — на число лет. Если сток влекомых на­носов составляет менее 10% от стока взвешенных наносов, то за средний годовой сток наносов принимают сток только взвешенных наносов.

При меньших значениях /_cs требуется детальный расчет заиле­ния во времени. При определении потерь полезного объема водо­хранилищ, судоходных глубин, положения кривой подпора, гра­ниц затопления и подтопления также требуется проведение де­тального расчета заиления по участкам водохранилища с разде­лением наносов по фракциям.

174

Рис. 5.11. Зависи­мость содержания руслоформирую­щих фракций нано­сов от параметра

U/dm°'³³

Детальный расчет заиления водохранили­ща в том случае, если t_cs оказывается равным нескольким десятилетиям, выполняют балан­совым методом в конечных приращениях. При этом рекомендуется определенная последова­тельность действий. Прежде всего по данным натурных измерений устанавливают связь средней мутности руслоформирующих наносов (взвешенных) от параметра v/d_m°-³³ (где и — средняя скорость течения, м/с; d_m — средняя глубина, м) проведя верхнюю и нижнюю оги­бающие поля точек (рис. 5.11). Поданным на­блюдений, тело заиления формируется песча­ными и песчано-пылеватыми фракциями нано­сов. Частицы мельче 0,01 мм выносятся в ниж­ний бьеф или поступают в приплотинную часть и равномерно распределяются по дну. Рекомен­дуется рассматривать две фракции: крупнее 0,05 мм и 0,05...0,01 мм. Для каждой фракции строятся свои огибающие и ведется соответствующий расчет заиле­ния. Если обе фракции осаждаются одновременно, то строят оги­бающие для общего поля точек.

В случае отсутствия натурных данных по мутности реки можно воспользоваться зависимостями для построения верхней огибаю­щей

(5.25)

и нижней огибающей

(5.26)

где S" — предельная мутность, определяющая начало осаждения наносов, кг/м³; S'—мутность, определяющая начало размыва дон­ных отложений, кг/м³, ш — средняя гидравлическая крупность (см. выше).

Если v, d_m и со таковы, что значение мутности лежит выше верхней огибающей, происходит отложение наносов; если значе­ния мутности лежит ниже нижней огибающей, происходит размыв донных отложений. При значении мутности, лежащем между оги­бающими, наблюдается транзит наносов — не происходит ни отложения, ни размыва. Далее делят верхний бьеф на участки длиной, равной примерно удвоенной ширине зеркала водохрани­лища в данном створе при отметке НПУ (NWL). Схематизируют стоковый ряд: делят каждый год на интервалы (в межень один интервал и в половодье два-три интервала) и для каждого ин­тервала по натурным данным определяют мутность руслоформи­рующих фракций наносов S₀. Затем определяют гидравлическими

175

методами положение кривой подпора для первого интервала вре­мени Д/1 (сут) с расходом Qi при уровне у плотины на огметке z\ и вычисляют скорости течения на границе участков. Записы­вают уравнение баланса наносов для первого участка (от места выклинивания кривой подпора) для первого интервала времени и решают его относительно Ad (м), что определяет деформацию дна:

(5.27)

где т) = 3,6-10² — коэффициент, учитывающий размерность входя­щих в уравнение величин; S_ent, S_ex — мутность руслоформирую-щих наносов соответственно на входе на расчетный участок и на вы­ходе с этого участка, кг/м^э; b\ul\ — соответственно ширина и длина первого расчетного участка; p_dep — плотность отложений, кг/м³, принимаемая равной 400. ..600 для илистых, 1000 ..1200 для песча-но-илистых и 1500 для песчаных наносов.

Для первого участка всегда S_ent=S₀ (см. выше). Значение S_ex устанавливают, пользуясь огибающими на графике рис. 5.11: если S'<S_ent<S", то наблюдается транзит наносов и S_ex= = S_ent', если S_ent>S", то S_ex=S' и будет происходить отложение наносов толщиной слоя Ad. В случае S_fnt<^S' мутность на выходе с участка S_ex=S' и происходит размыв на глубину Ad. Аналогич­ным образом вычисляют деформации на всех участках водохра­нилища за время At\. При этом за S_ent для второго участка при­нимают Sex для первого участка и т. д. В дальнейшем все опера­ции повторяются для интервала времени А/₂: выполняют расчет кривой подпора при расходе Q₂ при отметке у плотины z₂, вычис­ляют скорости течения на границах участков и определяют дефор­мации русла на всех участках для интервала времени At₂ и т. д.

Изложенный метод расчета заиления водохранилища для всех расчетных сроков позволяет определить изменение полезного объе­ма водохранилища и положение кривой подпора с учетом влия­ния тела заиления *.

При отложении наносов в водохранилище в нижний бьеф сбра­сывается осветленная вода, мутность которой меньше мутности S', что ведет к размывам русла реки ниже подпорного сооруже­ния. В результате размыва русла снижается положение поверх­ности воды в нижнем бьефе, что ведет к снижению общей устой­чивости сооружения в результате возрастания напора, вызывает затруднения при заборе воды из нижнего бьефа, понижается глу­бина на королях шлюзов, правда, несколько возрастает выработ­ка энергии. С течением времени по мере заиления водохранилища транзит наносов повышается, происходит отложение наносов в нижнем бьефе, если мутность сбрасываемой воды будет больше

* Более подробно расчет заиления водохранилищ см. в [5], 176

S", и ложбина размыва начинает заноситься. При значительном заборе воды из водохранилища транспортирующая способность потока в нижнем бьефе оказывается недостаточной и происходит повышение дна против бытового положения, что влечет за собой повышение отметки поверхности воды со всеми вытекающими из этого последствиями. Следует иметь в виду, что процесс отложе­ния наносов в нижнем бьефе идет особенно интенсивно, когда происходит промывка отстойников водозаборов в верхнем бьефе со сбросом воды в нижний бьеф.

Расчет деформаций дна в нижнем бьефе ведется методами баланса наносов, аналогично тому, как это изложено выше для водохранилища.