1.7 Сопротивление формы русла
Влияние относительной глубины русла. Из изложенного в разделах 1.4–1.6 следует, что увеличение гидравлического радиуса R или средней глубины Н при прочих равных условиях ведет к уменьшению коэффициента сопротивления и увеличению коэффициента Шези С. Поэтому при одинаковой ширине русла В увеличение относительной глубины русла Н/В способствует уменьшению гидравлического сопротивления русла. В некоторых расчетных формулах, например формулы Гришанина (1.48), эта связь учтена в явном виде.
Физический смысл влияния увеличения R, Н, Н/В на уменьшение заключается в том, что, чем больше наполнение русла, тем сильнее покрыты водой все выступы шероховатости и тем меньше воздействие на поток всех видов донной шероховатости, как зернистой, так и грядовой.
Влияние изгибов русла. Воздействие изгибов русла на суммарное сопротивление потоку изучено пока недостаточно. Очевидно, что чем меньше радиус изгиба русла, тем сильнее поток отклоняется от прямолинейного направления, тем больше его косоструйность и турбулентность. Более того, при крутых изгибах русла может произойти отрыв потока от берегов с образованием водоворотных зон. Все это должно увеличивать сопротивление потоку.
Эксперименты
И.Ониши, С.С.Джейн и Дж.Ф.Кеннеди (1976),
проведенные в лотке с извилистым руслом,
показали, что коэффициент сопротивления
увеличивался с ростом
и
отношения r/B,
где r
– радиус изгиба. В извилистом русле на
сопротивление потоку большее влияние,
чем в прямолинейном русле, оказывает
отношение R/d,
где d
– диаметр частиц наносов.
Обработка данных наблюдений в изогнутых лотках и естественных руслах позволила К.В.Гришанину (1992) получить формулу
,
(1.50)
подтвердившую влияние отношения радиуса изгиба к глубине русла на коэффициент Шези.
В естественных руслах, по заключению Гришанина, влияние добавочного сопротивления, обусловленного изгибами русла, в целом не велико, составляя около 10% от сопротивления прямолинейного русла. Дополнительное сопротивление в основном создается побочнем, формирующимся у выпуклого берега. Не очень сильное влияние извилистости русла на суммарное сопротивление потоку, по-видимому, объясняется тем, что естественный поток сам формирует свое русло с более или менее плавными очертаниями, при которых дополнительные потери энергии минимальны.
Более подробно влияние изгибов русла на речной поток будет рассмотрено в теме 4.
Влияние крупных форм руслового рельефа. Такие русловые формы как побочни перекатов, осередки, косы и др. являются дополнительными источниками сопротивления потоку. Количественная оценка такого влияния пока не сделана. Более того, выявляются некоторые противоречия в оценке воздействия крупных внутрирусловых форм на гидравлическое сопротивление. С одной стороны, роль таких русловых форм в формировании гидравлического сопротивления должна быть аналогична влиянию донных гряд: чем больше наполнение русла (больше Н/hгр), тем слабее воздействие неровностей рельефа дна на поток. Но, с другой стороны, как было показано только что, побочни могут увеличивать сопротивление потоку именно в затопленном состоянии, способствуя изгибу потока. Так, Л. Никкельсен и Ф. Энгелунд (1977) пришли к выводу, что при больших глубинах, когда поток со значительными скоростями перетекает через побочень, сопротивление такого извилистого русла больше сопротивления прямолинейного русла. Когда же побочень не затоплен, сопротивление извилистого русла становится меньше прямолинейного. Все дело здесь, по-видимому, в возникновении в первом случае водоворотов, поглощающих энергию потока.