- •Динамика русловых потоков
- •Часть I
- •Предисловие
- •Введение
- •Тема 1. Одномерный русловой поток и гидравлическое сопротивление
- •1.1. Уравнение одномерного квазиравномерного движения руслового потока, понятие о касательном напряжении и гидравлическом сопротивлении
- •1.2. Оценка влияния гидравлического сопротивления на русловой поток
- •1.3. Виды гидравлического сопротивления и понятие о законе гидравлического сопротивления
- •1.4 Сопротивление зернистой шероховатости. Коэффициент шероховатости
- •1.5 Влияние на гидравлическое сопротивление характера гидродинамического режима. Графики Никурадзе и Зегжды.
- •1.6. Сопротивление донных гряд
- •1.7 Сопротивление формы русла
- •1.8 Сопротивление поймы
- •1.9 Сопротивление ледяного покрова
- •1.10 Сопротивление растительности
- •1.11 Сопротивление, обусловленное неустановившимся характером движения потока
- •1.12 Дополнительные сопротивления, связанные с местными неровностями дна и расширением русла
- •Тема 2. Распределение скоростей течения по глубине потока
- •2.1 Эмпирические формулы, описывающие распределение скоростей течения по глубине потока
- •2.2 Теоретическое обоснование закона распределения скоростей течения по глубине
- •2.3 Новая интерпретация логарифмического закона распределения скоростей течения по глубине и его основные следствия
- •2.4 Влияние неравномерного и неустановившегося движения воды на распределение скоростей течения по глубине
- •Тема 3. Распределение скоростей течения в поперечном сечении прямолинейного потока
- •3.1 Распределение скоростей течения в потоке с прямоугольным сечением
- •3.2 Распределение скоростей течения в естественном русловом потоке с прямолинейными очертаниями
- •Тема 4. Изгиб потока
- •4.1 Движение воды на изгибе русла
- •4.2 Лабораторные исследования кинематики потока на изгибе русла
- •4.3 Исследования кинематики потока на изгибе естественного русла
- •Тема 5. Деление потока
- •5.1 Сущность деления потока
- •5.2 Экспериментальные исследования отвода потока и некоторые эмпирические зависимости
- •5.3 Движение потока в узлах разветвления естественных водотоков
- •5.4 Распределение расходов воды между рукавами
- •Тема 6. Планы безотрывных течений
- •6.1. Основные определения
- •6.2. Построение плана течений при наличии данных изменений скоростей течения
- •6.3. Методы теоретического построения плана безотрывных течений
- •Заключение
- •Литература
4.2 Лабораторные исследования кинематики потока на изгибе русла
Большинство экспериментов в лаборатории проведено с изгибами русла с прямоугольным сечением.
Детальные лабораторные исследования гидравлики потока на изгибе русла были проведены А. Я. Миловичем (1914). Опыты в изогнутом потоке с прямоугольным сечением показали, что поверхностные струи отклоняются к вогнутому берегу, а придонные – к выпуклому; максимальные скорости по ширине русла на изгибе смещаются к выпуклому берегу ("закон площадей"), а после изгиба – к вогнутому берегу. Было установлено, что движение поплавков на изгибе русла происходит без их вращения вокруг оси. Именно Милович предположил, что поток на изгибе так перестраивает свою скоростную структуру, чтобы преодолеть изгиб с наименьшей затратой энергии.
Сходные результаты получил в своих опытах А. Шукри (1950). Он ввел понятие "основной створ", где распределение по ширине русла осредненных по вертикали скоростей течения подчиняется закону площадей (4.1). Положение этого створа зависит от угла поворота русла и коэффициента Шези С.
Лабораторные опыты с потоком на изгибе русла провели также Н. А. Баконина и др. (1955-1956 гг.), А. К. Ананян (1957 г.), И. Л. Розовский (1957 г.), Н. Б. Барышникова и др. (1958-1960 гг.). Этими опытами было установлено, что "основной створ" отстоит от геометрического начала поворота на 27–45о. В ряде опытов с крутыми изгибами у выпуклого берега ниже по течению от центра изгиба наблюдался отрыв потока от берега. В тех случаях, когда в лотке пускали влекомые наносы, в этом же месте шло их накопление.
В качестве иллюстрации приведем результаты лабораторных экспериментов, выполненных Л. И. Розовским (рис.10). На рисунке хорошо видно искривление рельефа водной поверхности (уровни воды повышаются в сторону вогнутого берега) и перестройка поля скоростей при входе в изгиб и после него.
4.3 Исследования кинематики потока на изгибе естественного русла
Данных наблюдений поведения потока на изгибе естественного русла не много. Особенно сложно определить поперечные скорости течения.
В качестве одного из примеров приведем результаты исследований Л. И. Розовского (1957) на изгибе русла небольшой р. Снов (рис.11). На рисунке хорошо видны поперечные скорости течения (они получены путем проекции измеренных векторов продольных скоростей на нормаль к направлению, отвечающему среднему на вертикали азимуту векторов скорости). На поверхности поперечные скорости направлены в сторону вогнутого берега, а у дна – в сторону выпуклого берега. Как указал К. В. Гришанин (1979), эпюры поперечных скоростей в данном случае хорошо согласуются с формулой (4.3).
Поперечная циркуляция на изгибах естественных русел приводит к русловым деформациям. Отклонение поверхностных струй с повышенными скоростями течения к вогнутому берегу вызывает его размыв. В нижней половине поворота русла у выпуклого берега, наоборот, отлагаются наносы, принесенные отклоняющимися в эту сторону донными струями. В результате у вогнутого берега образуется плесовая лощина, а у выпуклого – побочень.
Рис.10 Рельеф свободной поверхности (а) и эпюры средних на вертикалях скоростей на изгибе русла прямоугольного сечения (б) (по Розовскому).
Рис.11 План изгиба р. Снов (а) и эпюры поперечных скоростей (б) на гидростворе №19 (по Розовскому).
Таким образом, изгиб русла (вне зависимости от причины его возникновения) создает поперечную циркуляцию, и она, в свою очередь, стимулирует формирование изгиба, увеличивая его кривизну. Поэтому меандрирование представляет собой самоподдерживающийся и очень устойчивый естественный процесс.