Глава. IX. Выправление русел рек
9.1. Выправление рек. Классификация и назначение выправительных сооружений.
Выправлением русел рек принято называть путевые работы, которые обеспечивают благоприятные судоходные условия, используя энергию самого речного потока. При этом в русле реки создаются необходимые для судоходства габариты водного пути, и достигается общее устойчивое положение судоходной трассы.
Обычно на затруднительных для судоходства участках рек имеются недостаточные глубины потока для прохода расчетных судов. Такие участки характеризуются небольшими скоростями течения и значительным отложением наносов, особенно в весенний период. Задача выправления в этом случае заключается в воздействии на поток специальными выправительными сооружениями (см. рис. 9.1), чтобы увеличить бытовые скорости течения б на некоторую величину до значений размывающих скоростей р=б+ для данного грунта на перекате.
Рис.9.1. Общая схема углубления гребня переката
под воздействием выправительных сооружений:
1- положение дна до выправления; 2- положение дна после выправления
В результате будет происходить смыв наносов с гребня переката и предотвращение их дальнейшего отложения. Через некоторое время произойдет углубление дна на величину h, и на судовом ходу установится расчетная глубина потока, равная Тр=hб+h.
В тех случаях, когда на затруднительном участке реки имеется ограниченная ширина судового хода, увеличение скорости течения необходимо для смыва наносов с подводной части побочня (см. рис. 9.2), простирающегося до границы судового хода. Таким образом, удается увеличить ширину судового хода на затруднительном для судоходства перекате.
Рис.9.2. Схема увеличения ширины судового хода
с помощью выправительных сооружений:
1- выправительные сооружения; 2- зона размыва побочня переката
Если затруднения для судоходства вызваны малым радиусом закругления судового хода на повороте русла реки, то задача выправления заключается в создании новой, более плавной береговой полосы (рис. 9.3) или нового русла с плавным судовым ходом, удобным для движения судов. При этом иногда отторгаются крупные побочни, искривляющие судовой ход, или спрямляются крутые извилины русел рек.
Рис.9.3. Схема создания береговой полосы
с помощью выправительных сооружений:
выправительные сооружения; 2- новая ось
судового хода; 3- зона размыва выпуклого берега
Иногда отложение наносов на гребнях перекатов наблюдается даже при скоростях течения, близких к значениям размывающих скоростей, из-за несовпадения направления течения потока и очертания судоходной трассы. В таких случаях для предотвращения осаждения наносов на затруднительных участках оказывается достаточным изменить направление течения потока (см. рис. 9.4) с помощью выправительных сооружений.
Рис.9.4. Схема изменения направления течения
на перекате с помощью выправительного сооружения:
1- выправительное сооружения; 2- направление течения
до выправления;3- направление течения после выправления
В некоторых случаях основной причиной затруднений для судоходства является поступление большого количества наносов из-за интенсивного размыва расположенного выше по течению берега реки. Тогда проводится укрепление размываемого берега, что предотвращает ухудшение судоходных условий на участке размыва и улучшает состояние расположенных ниже по течению перекатов. Если предотвратить интенсивное поступление наносов на затруднительный участок не удается, то на таком участке с помощью выправительных сооружений наносы отвлекаются с трассы судового хода во второстепенные (несудоходные) рукава (рис. 9.5).
Рис.9.5. Схема изменения направления течения
донных и поверхностных струй у приверха острова:
поверхностные струи; 2- донные струи; 3- выправитель-
ное сооружение;4- зона отложения наносов; 5- остров
При выправлении рек, кроме того, что достигаются заданные габариты судового хода, повышается общая устойчивость русла в районе возведения выправительных сооружений.
Из теории руслового процесса и практики путевых работ известно, что широкие и неглубокие участки рек менее устойчивы, чем участки с узкими и глубокими руслами.
В первом случае поток растекается по широкому и неглубокому руслу. При этом динамическая ось потока в зависимости от местных условий со временем изменяет свое положение (рис. 9.6), располагаясь поочередно возле одного из берегов или ближе к середине русла. Поэтому размывы дна происходят в разных местах.
Рис.9.6. Схема положения динамической оси потока на перекате
(1, 2, 3- варианты положения динамической оси и судового хода)
Во втором случае, когда русло реки узкое и глубокое, динамическая ось потока весной и в межень занимает устойчивое положение по линии наибольших глубин с большими скоростями течения.
Примером реки с очень неустойчивым руслом является р. Аму-Дарья, для которой наблюдается большое отношение ширины потока В по зеркалу воды к средней глубине h в поперечном сечении. На отдельных участках этой реки берега размываются на десятки метров за сутки.
Застройка выправительными сооружениями части поперечного сечения русла и углубление дна вследствие увеличения скорости течения приводят к уменьшению отношения (Bn/hп)<<(Bб/hб) по сравнению с бытовым состоянием реки (рис. 9.7).
Рис.9.7. Схема выправленного русла (поперечное сечение):
1- выправительное сооружение; 2- дно до выправления;
3- дно после выправления
В результате выправления русло реки становится более устойчивым. После возведения выправительных сооружений начинает преобладать глубинная эрозия русла, особенно если противоположный берег трудноразмываемый или укреплен специальным покрытием.
Совершенно очевидно, что эффект выправления во многом зависит от рода грунтов, слагающих дно и берега реки. Мелкий песчаный грунт легко и быстро смывается потоком при достижении сравнительно небольшого значения размывающей скорости, а крупные и связные (глинистые) грунты требуют бóльших скоростей течения и длительного периода воздействия для ощутимого углубления дна.
В первом случае эффект углубления дна достигается сравнительно быстро. Во втором случае требуется возведение выправительных сооружений и использование дноуглубительной техники для удаления слоя наносов за пределы судового хода. Роль выправительных сооружений в таком случае сводится к предотвращению осаждения наносов и дальнейшему постепенному углублению и расширению судового хода.
На перекатах равнинных рек России чаще всего дно сложено несвязными песчаными грунтами; иногда встречается гравий и галька, в основном на реках Сибири. Поэтому выправление затруднительных для судоходства участков часто проводят в комплексе с дноуглублением, что обеспечивает необходимое увеличение глубин в короткие сроки и стабилизацию судоходной трассы на длительный период времени.
В настоящее время дноуглубительные снаряды часто применяют при выправлении рек еще и потому, что выправительные сооружения в большинстве случаев возводят из местного грунта, добываемого со дна реки. Кроме того, земснаряды выполняют работы по отторжению побочней, спрямлению извилин русла, разработке капитальных прорезей в рукавах в комплексе с выправлением для коренного улучшения судоходных условий на особо затруднительных участках рек.
В свободном состоянии почти на всех реках весной или в другие периоды времени наблюдаются высокие паводки. Поэтому для достижения положительного эффекта важно знать, какие выправительные сооружения (низкие или высокие) следует возводить и, при каких уровнях воды начинается их воздействие на поток.
Выправительные сооружения активно воздействуют преимущественно на меженный поток при сравнительно низких уровнях воды, так как высокие паводки наблюдаются непродолжительное время. Высокие выправительные сооружения, оказывающие воздействие на поток во время паводка, возводятся реже из-за больших затрат на их строительство. Они применяются для коренного улучшения судоходных условий на затруднительных участках обычно на реках с невысоким, но продолжительным паводком.
Различают две системы выправления русел рек: сплошного и выборочного выправления.
При сплошном выправлении сооружения располагают по всей длине реки или большого ее участка. В этом случае удается обеспечить достаточно устойчивое положение судоходной трассы и достичь равномерного распределения глубин и ширин русла на всем выправляемом участке реки.
При выборочном выправлении сооружения располагают только на наиболее затруднительных для судоходства участках реки, преимущественно на перекатах. При этом удается стабилизировать положение судоходной трассы только в районе расположения выправительных сооружений, а участки плесовых лощин реки остаются в естественном состоянии.
Опыт сплошного выправления имеется на относительно небольших реках Западной Европы (Рейн, Эльба, Одер и др.), где работы велись в течение десятков лет. В связи с высокой стоимостью сплошное выправление оказывается целесообразным только на малых реках с неустойчивым руслом, в районах с большим объемом перевозок грузов и значительной стоимостью земельных участков, примыкающих к реке.
В нашей стране на многих реках успешно применяется система выборочного выправления.
Ярким примером положительного эффекта может служить р. Белая (приток р. Камы), где выборочное выправление осуществлено на протяжении 468 км. На этом участке имелось 134 переката, из них 80 представляли большие затруднения для судов. В 1931 г. гарантированная глубина судового хода составляла 80 см. В 1931-1932 гг. были выполнены работы по выправлению двух наиболее затруднительных перекатов, благодаря чему к 1934 г. глубину судового хода удалось увеличить до 110 см.
В последующие 1937-1939 гг. были выполнены выправительные работы еще на 18 перекатах, после чего гарантированная глубина была увеличена до 140 см. Таким образом, в результате выправления перекатов гарантированная глубина на участке большого протяжения увеличилась в 1.75 раза.
В настоящее время после комплекса выправительных и дноуглубительных работ гарантированная глубина поддерживается равной 225 см, т.е. почти в 3 раза большая, чем было до выправления.
В результате планомерного проведения выправительных и дноуглубительных работ на р. Белой без больших единовременных капитальных затрат была существенно увеличена пропускная способность. Объемы перевозок грузов на этом участке за последние 20 лет возросли почти в 5 раз.
Примером ускоренного развития водного пути может служить р. Надым в Западной Сибири с руслом, сложенным мелким песком. На этой реке в результате интенсивного дноуглубления и с использованием отвалов грунта в виде выправительных сооружений с помощью современного высокопроизводительного технического флота за 8 лет удалось увеличить гарантированные глубины с 60 до 200 см на участке длиной 85 км. Несмотря на короткий навигационный период (около 130 суток в году), перевозки грузов водным транспортом оказались весьма эффективными. За навигацию удается обеспечить доставку большого объема грузов, что способствовало развитию прилегающих к р. Надым районов Крайнего Севера.
Выправительные сооружения по принципу их воздействия на движение потока бывают активного и пассивного действия.
К активным сооружениям относятся: полузапруды, запруды и струенаправляющие дамбы; к пассивным – береговые укрепления.
Сооружения активного действия оказывают существенное воздействие на поток – изменяют направление и значение скорости течения, способствуют размыву донных отложений, обеспечивая углубление дна на перекатах, и предотвращают осаждение наносов в пределах судового хода.
Полузапруда (рис. 9.8) представляет собой примыкающее к берегу сооружение, которое перекрывает часть поперечного сечения русла на затруднительном участке. Она перераспределяет расход воды по ширине русла, увеличивая скорость течения в районе судового хода. В конечном итоге это приводит к размыву дна перекатов и к увеличению глубины потока.
Рис.9.8. Полузапруда на перекате:
верхний побочень; 2- зона размыва дна;3- нижний побочень; 4- полузапруда
Запруда (рис. 9.9) – это сооружение, которое перекрывает несудоходный рукав.
Рис.9.9. Запруда на участке разветвления русла:
остров; 2- зона отложения наносов в несудоходном рукаве;
3- запруда; 4- зона размыва дна в судоходном рукаве
При этом она перераспределяет расход воды в пользу судоходного рукава, увеличивая там скорость течения, под воздействием которой происходит размыв дна и углубление имеющихся перекатов.
Струенаправляющая дамба (рис. 9.10) является продольным сооружением, предназначенным для направления течения в сторону судового хода или для обеспечения плавного сопряжения потоков при их слиянии.
Рис.9.10. Продольная струенаправляющая дамба:
а- в однорукавном русле; б- на участке разветвления русла;
1- у верхнего побочня; 2- у приверха острова; 3- у ухвостья острова
Она способствует ликвидации вредного влияния растекания потока (свальных течений) в боковые емкости русла, обеспечивая улучшение судоходных условий на затруднительных участках, в основном, за счет предотвращения отложения наносов.
Береговые укрепления (рис. 9.11) – сооружения пассивного действия возводят, в основном, для предохранения берегового откоса от дальнейшего размыва речным потоком. При этом заметного воздействия на поток они не оказывают. Однако они способствуют уменьшению поступления наносов на расположенные ниже по течению перекаты, тем самым улучшая их состояние для судоходства.
Рис.9.11. Береговое укрепление вогнутого берега с радиусом
поворота судового
хода
,
большим минимального радиуса
Рис.9.12. Создание нового берегового откоса у вогнутого
берега с недостаточным радиусом поворота судового хода:
1- берегоукрепительные шпоры; 2- старый судовой ход;
3- новый судовой ход; 4- зона размыва выпуклого берега
Иногда берегоукрепительные работы проводят для создания нового берегового откоса (см. рис. 9.12), обеспечивая не только закрепление размываемого берега, но и увеличение радиуса поворота судового хода на сильно искривленных участках рек.