книги из ГПНТБ / Климов О.Д. Основы инженерных изысканий учеб. пособие

§ 43. РЕЧНЫЕ НАНОСЫ

Частицы грунта, переносимые и откладываемые водой, называют наносами.

Хозяйственное использование рек требует знания не только

ееводного режима, но и режима переносимых рекой наносов. Наносы образуются вследствие размыва русла реки (боковая

иглубинная эрозия) и в результате смыва грунта и почвы с поверх­ ности бассейна (водная эрозия почвы). Влияние каждого из назван­ ных факторов существенно различное. Продукты размыва составляют обычно 1—3% от общего количества наносов, перемещаемых рекой. Главное место занимают продукты смыва, которые и образуют основ­ ную массу наносов.

Интенсивность смыва с поверхности бассейна зависит от состава

исостояния грунта, состояния и вида растительного покрова, от уклона рельефа, от величины и характера стока (ливни или обложные дожди). Большее количество наносов несут горные реки; у равнинных

рек наносов меньше; в водах северных рек наносов меньше, чем в южных.

По характеру перемещения речные наносы делят на взвешенные, донные, растворенные.

В з в е ш е н н ы е наносы представляют собой тонкие илистые или глинистые частички грунта, удерживаемые во взвешенном состоянии только благодаря турбулентности речного потока. Более

Вес влекомых частиц грунта прямо пропорционален шестой степени скорости потока. В итоге водный поток, движущийся со скоростью 0,6 м/с, в состоянии перемещать крупный песок; при скорости 1—1,2 м/с поток увлекает за собой гравий и гальку разме­

наносы чаще представлены ионами углекислого кальция, хлористого натрия, а на заболоченных территориях гумусовыми кислотами. Минерализация воды выше у рек засушливой зоны и менее у рек избыточного увлажнения (северные реки).

Из названных выше трех видов наносов наибольшее значение имеют взвешенные наносы, поскольку они для равнинных рек соста­ вляют основную массу — около 95% и только 5% приходится на долю донных.

Количественное содержание в воде взвешеных наносов опреде­ ляют двумя показателями: относительной мутностью воды и расхо­ дом взвешенных наносов.

О т н о с и т е л ь н о й м у т н о с т ь ю р называют весовое Р количество наносов, содержащихся в единице объема ѵ воды, т. е.

Р

р = — г/л или кг/м3.

132

Относительная мутность значительно меняется по глубине по­ тока: она выше у дна и минимальна у поверхности. Относительная мутность подвержена колебаниям в связи с временем года: весной и после прошедших ливней летом мутность резко возрастает. Это происходит от усиливающегося смыва грунта и почвы с поверхности

где pg — среднее количество донных наносов, приходящихся на 1 м ширины реки;

В — ширина реки.

Расход растворимых наносов вычисляют по формуле m = pp-Q кг/с,

где рр — весовое количество наносов в единице объема воды. Суммарное количество взвешенных, донных и растворенных

наносов, проносимых через живое сечение потока за определенное время (год, месяц, сутки), называют т в е р д ы м с т о к о м .

Сток взвешенных наносов за время Т находят по формуле

г ■Т

В1000

сток за год будет равен

Годовой сток влекомых G и растворимых М наносов подсчиты­ вают по формулам

G = 31,5-103-g и М = 31,5- ІО3 - /те,

где пг — расход растворимых наносов. Суммарный твердый сток равен

R + G+ M = 31,5-103-(г + g+ m ) т.

По аналогии с модулем стока воды вычисляют и модуль г0 твер­ дого стока, т. е. находят отношение

г0 = - у т/км2,

определяющее количество наносов, приходящихся на 1 км2 площади F водосбора.

133

й

На многих реках ведутся наблюдения за взвешенными и влеко­ мыми наносами, однако фактических данных имеется еще очень мало, особенно на малых водосборах. Это обстоятельство осложняет расчеты твердого стока и делает их недостаточно надежными.

В зависимости от материала для расчета твердого стока при­ меняют специальные карты, эмпирические формулы, метод аналогии.

При полном отсутствии наблюдений за наносами для расчетов твердого стока используют специальную карту мутности рек СССР

(рис. 71), составленную Г. В. Лопатиным и Г. И. Шамовым; на этой карте вся территория разделена на семь зон с различной относитель­ ной мутностью, изменяющейся от 50 и менее до 5000 г/м3 и более.

Карта может применяться для рек с площадью водосбора 500— 20 000 км2. Более точные карты помещаются в изданиях водного кадастра Советского Союза, именуемого «Ресурсы поверхностных вод СССР».

Расчеты твердого стока необходимы при проектировании гидро­ технических сооружений, так как наносы могут существенно влиять на работу этих сооружений.

Наличие в воде наносов вызывает ускоренный износ насосных

идождевальных установок, турбин гидростанций, заиление каналов

иводохранилищ. Для ослабления вредного воздействия наносов на механизмы и сооружения проектировщикам приходится принимать специальные конструктивные решения; в каналах, например, на­ значать так называемые незаиляемые скорости (уклоны), устраивать отстойники.

Особенно вредно воздействие наносов на водохранилища. Скорость речного потока, впадающего в водохранилище, в силу

значительного увеличения площади живого сечения падает до нуля,

инаносы, лишенные удерживающей или толкающей силы (от тур­ булентности потока и лобового давления), отлагаются на дне во­ доема.

ние и занесение водохранилища происходит непрерывно, и не только за счет наносов, приносимых рекой, но и за счет разрушения берегов водохранилища при их переработке.

Заиление и занесение приводят к потере водохранилищем его регулирующей способности — способности перераспределять речной сток во времени, обеспечивать бесперебойное снабжение водой на­ селенных пунктов, промышленных предприятий, удовлетворять нужды сельского хозяйства.

Очистка водохранилища от наносов — задача исключительно трудоемкая и дорогостоящая. Поэтому обычно предусматривается ряд мер по борьбе с заилением. В частности, уменьшение смыва почвы с поверхности речного бассейна путем насаждения раститель­ ности (травяной и древесной), определенную систему вспашки полей и размещения сельскохозяйственных культур, укрепление активно размываемых береговых участков реки, систематические промывки

135

водохранилища путем сброса воды через донные отверстия в плоти­ нах. При строительстве ГЭС ослабление вредного воздействия нано­ сов на работу сооружения достигается проектированием в водохра­ нилище так называемого м е р т в о г о о б ъ е м а (рис. 72), т. е. выделением из всего объема водохранилища его наиболее низкорас­ положенной части, которая не может быть использована при регу­ лировании стока, а играет лишь вспомогательную роль — поддер­ живает в водохранилище требуемый уровень воды (НПУ), поэтому не столь существенно, будет ли этот объем заполнен водой или нано­

ема хотя и не препятствует заилению водохранилища, су­ щественно удлиняет сроки его заполнения наносами. В связи с этим при проектировании во­ дохранилищ и ГЭС ведется рас­ чет времени заиления, для чего применяют различные методы: детальные и приближенные. Эти методы с различной сте­

пенью детальности учитывают: годовой объем твердого стока, гра­ нулометрический состав и объемный вес наносов, расход воды, характеристики водохранилища.

Приближенно расчет времени заиления может быть выполнен на основе сравнения проектного объема заиления W3 и объема наносов WHза время Т, т. е. по формуле

Емкость всего водохранилища и его частей при различных НПУ, в том числе и мертвого объема, подсчитывают на основе планиметри­ ческих измерений по топографическим картам и указывают в проекте. Объем наносов W Hнаходят на основе суммарного годового твердого стока (R + G) с учетом объемного веса наносов у по формуле

w_ 31,5-1 О Ң г + g )

н7

Для пояснения приведем пример.

Определим продолжительность заиления водохранилища объемом W3 = 207 тыс. м3, созданного на р. Цыганка — с. Краснополье (район г. Умани, УССР), имеющей площадь водосбора F = 248 км2.

Вычисления начнем с определения по карте среднего годового стока (см. рис. 64), для центра тяжести бассейна, величины модуля

136

по карте средней многолетней мутности (см. рис. 71) находим вели­ чину относительной мутности р = 300 г/м3 = 0,3 кг/м* и расход взвешенных наносов по формуле

г —Р *Qo —0»3 • 0,45 = 0,14 кг/с.

Полагая, что донные наносы составляют около 5% от взвешенных находим

g = 0,14 *0,05 = 0,01 кг/с.

Объем взвешенных и влекомых наносов, поступающих в водо­ хранилище за 1 год, при у = 0,8 т/м3 составляет

Сток большинства рек неравномерен. Наибольшим колебаниям он подвержен в связи с сезонной сменой фаз. На реках снегового питания летом — в межень — наблюдается минимальный сток; весной, наоборот, проходят максимальные расходы, часто составля­ ющие основную часть годового стока.

Расходы воды на нужды народного хозяйства также неравномерны. Так, для сельского хозяйства значительные количества воды расхо­ дуются летом и меньше зимой; для промышленности и населенных мест также требуется много воды, причем в рабочие дни больше, чем в праздничные, а в дневные часы больше, чем в ночные. Неравно­ мерным оказывается и режим работы гидроэлектростанций, так как потребность в электроэнергии зависит от часов суток, дней и сезона. Поэтому, очевидно, при рациональном хозяйственном использовании естественного стока рек требуется его перераспределение во времени; приведение его в соответствие с потреблением называют p e r у л и - р о в а н и е м с т о к а .

Для того чтобы успешно регулировать сток, необходимо иметь емкости, которые в определенные моменты времени наполняются водой, а затем по мере надобности расходуются. Такими емкостями являются специально устраиваемые водоемы и водохранилища. В соответствии с объемами регулируемого стока объемы водохра­ нилищ заранее рассчитывают.

Регулирование стока зависит от характера решаемых задач, поэтому используют различные виды регулирования. Однако

137

наиболее употребительное регулирование по времени: суточное, не­ дельное, сезонно-годичное и многолетнее.

При суточном регулировании процесс наполнения и сработки воды из водохранилища осуществляется за одни сутки, т. е. в часы суток, когда потребление воды небольшое, вода в водохранилище

регулирования воду накапливают в нерабочие дни, когда расход воды на хозяйственные нужды сокращается, и более интенсивно расходуют в будни. Сезонно-годичное регулирование предусматри­ вает наполнение и сработку водохранилища или за сезон, или за

ный цикл работы водохранилища несколько лет. В многоводные годы водохранилище наполняется, в маловодные срабатывается. Многолетнее регулирование стока возможно на больших по объему водохранилищах. Такое регулирование считается наиболее совершен­ ным, так как можно перераспределять сток не только между отдель­ ными годами, но и внутри каждого года.

Регулировать сток сложно. Кроме того, что нужно знать вели­ чину и характер стока, его обеспеченность, параметры водохрани­ лища, необходимо учитывать целый ряд таких факторов, как, напри­ мер, потери воды из водохранилища на фильтрацию под плотину, в обход ее и в борта водохранилища, испарение с поверхности во­

гических и гидрогеологических условий, а также от создаваемого плотиной напора и ряда других факторов.

Подсчет потерь на фильтрацию делается или на основе специально проводимых исследований или на основе данных наблюдений на соседних плотинах, находящихся в сходных гидрогеологических

хранилища могут быть весьма существенны и потому должны учи­ тываться. Испарение с поверхности водоемов в пределах территории нашей страны увеличивается в направлении с севера на юг, поскольку в этом же направлении повышается температура воздуха и более продолжительным оказывается безморозный период.

Расчет потерь на испарение ведут по эмпирическим формулам с учетом данных наблюдений за метеорологическими элементами.

с наступлением теплого времени года снова может быть использована для хозяйственных и энергетических целей. Если объем водохрани­ лища невелик и оно почти полностью срабатывается, то временное

138

изъятие воды на льдообразование может привести к необходимости временного сокращения отдачи воды в зимний период. Если в период весеннего половодья происходит сброс воды из водохранилища (а с водой и льда) в нижний бьеф, то такие потери должны быть отне­ сены к категории безвозвратных.

Борьба с безвозвратными потерями воды из водохранилища сложная; она сводится к проведению таких мероприятий, как за­ щита дна и берегов водохранилища от фильтрации разного рода материалами и выбор створа плотины на наиболее благоприятных грунтах. Испаряемость воды с поверхности водохранилища можно частично уменьшить посадкой лесозащитных насаждений, которые

должны быть отнесены не только непосредственно изымаемые объемы воды, но и потери на фильтрацию и испарение.

Соотношение между притоком и потреблением воды обычно изо­ бражают в виде совмещенного графика (рис. 73), на котором пока­ зывают гидрограф: кривую расхода 1 и кривую отдачи 2. На таком графике хорошо прослеживается соотношение между стоком и по­ треблением в отдельные периоды. Так, в пределах участка Ab приток явно превышает отдачу, а на участках Ас1г и Аd2имеет место обратная картина. Если такой совмещенный график построить в строго опре­ деленном масштабе и планиметром определить площади с положи­ тельным и отрицательным балансом, то можно подсчитать на любой момент времени, какова полезная емкость водохранилища и как лучше с учетом проектной отдачи и потерь воды из водохранилища вести регулирование стока, т. е. осуществлять одногодичное или многолетнее регулирование; можно установить, в какой степени созданное водохранилище трансформирует (сглаживает — изме­ няет во времени) максимальные расходы.

При водохозяйственных расчетах используют известные характе­ ристики стока Сѵ и Cs; расчетную величину стока принимают (в за­ висимости от вида потребления воды — гидроэнергетика, орошение, промышленный водозабор) на определенную обеспеченность, напри­ мер 80%. В практике водохозяйственных расчетов широко исполь­ зуют методы математической статистики.

139

Г л а в а VII

СОСТАВ, СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ

§45. ИЗУЧЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЕЙ ВОДЫ

Всостав гидрологических изысканий входит большой комплекс таких полевых работ, как наблюдения за уровнями воды в реках, озерах и искусственных водоемах; определение уклонов рек, пло­

щадей живых сечений, скоростей течения, расходов воды, изучение речных наносов и многое другое.

Как указано в главе VI, наблюдения за этими элементами водного режима ведутся на специально устраиваемых постоянных или вре­ менных постах и гидрологических станциях. В зависимости от по­ ставленных задач, сроков наблюдений и объема информации станции и посты (в системе ГУГМС) делятся на несколько разрядов. Гидро­ логические станции делятся на два разряда, речные посты — на три

При изысканиях для строительства инженерных сооружений ведомственные организации устраивают посты с ограниченным сро­ ком их работы, хотя этот срок может составлять промежуток от нескольких месяцев до нескольких лет. Состав и сроки наблюдений на таких постах определяются кругом задач, решаемых в ходе про­ ектирования инженерного сооружения. Поэтому, кроме своих пря­ мых функций — давать информацию о водном режиме водотока, водомерные посты выполняют важную роль при русловых съемках,

при проведении работ по составлению продольного профиля реки и др.

140

Для наблюдений за уровнями воды в реке применяются различ­ ные по устройству водомерные посты: реечные, свайные, сметан­ ные, саморегистрирующие.

Р е е ч н ы е п о с т ы , как следует из названия, представляют собой рейку, укрепленную на надежно забитой в грунт свае (рис. 74), на устое моста, облицовке набережной или естественной вертикаль­ ной береговой скале. Длина рейки, прикрепляемой к свае, 1—2 м. Размер делений на рейке 1—2 см. Отсчеты уровня воды по рейке берут глазомерно с округлением до 1 см. Фиксировать уровень те­ кущей, а часто и волнующейся поверхности воды с более высокой точностью затруднительно, впрочем, для большинства инженерных

Репер О/и

Рис. 75. Свайный водомерный пост

задач такая точность вполне достаточна. Если требуется более высокая точность, то рейку помещают в небольшую заводь (ковш), устраиваемую в береге у уреза воды и соединенную канавой с рекой.

Реечные водомерные посты преимущественно используют для наблюдений уровней, когда колебания их сравнительно невелики. На реках с большой амплитудой колебаний уровней или в периоды половодий и паводков применяют свайные посты.

Свайный водомерный пост (рис. 75) состоит из ряда свай, распо­ лагаемых по створу перпендикулярно к течению реки. Сваи из сосны, дуба или железобетона диаметром 15—20 см забивают в грунт берега и дно реки на глубину около 1,5 м; превышение между головками соседних свай должно быть около 0,5—0,7 м, а если берег очень по­ логий, то 0,2—0,5 м. На торцах свай краской подписывают их номера; самой верхней свае присваивают первый номер, последующие номера получают сваи, расположенные ниже.

Для фиксации уровня на свайных постах применяют небольшую переносную рейку с делениями через 1—2 см; поперечное сечение рейки — ромбическое, при этом рейка лучше обтекается водой; на нижней части рейки имеется металлическая оковка, что позволяет

141