WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 |

«ПРИРОДНЫЕ РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ 1.1. Речные долины и русла рек Речные долины образованы в большинстве случаев во время тектонических деформаций земной поверхности или при движении древних ледник ...»

-- [ Страница 1 ] --

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

Г. Г. НАУМОВ

АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

НА РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

НА ПЕРЕХОДАХ ЧЕРЕЗ ВОДОТОКИ

МОСКВА 2012

УДК 624.21(083.94)

ББК 39.112:30.2

Н 34

Р е ц е н з е н т ы:

зав. кафедрой гидрометрии Российского государственного гидрометеорологического университета д-р геогр. наук, проф., заслуженный деятель науки РФ Н. Б. Барышников; д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки РФ, заслуженный строитель РФ, академик Российской академии транспорта Б. Ф. Перевозников Наумов Г. Г.

Н 34 Антропогенные воздействия на русловые процессы на переходах через водотоки: монография / Г. Г. Наумов. – М.: МАДИ, 2012. – 105 с.

В главе 1 монографии представлены основные сведения о наиболее известных классификационных системах русел рек, протекающих в естественных (бытовых) условиях.

Глава 2 посвящена антропогенным русловым процессам, возникающим под влиянием устройства речных инженерных сооружений (плотин ГЭС, мостовых переходов, подводных русловых карьеров).

Рассматриваются вопросы учёта природных и антропогенных деформаций речного русла при проектировании переходов через водотоки.

Подробно изложены теоретические основы прогноза русловых деформаций в зоне влияния руслового карьера.

Монография предназначена для слушателей факультетов повышения квалификации, занимающихся изысканиями и проектированием переходов через водотоки, а также может быть использована студентами при выполнении научно-исследовательских работ.

УДК 624.21(083.94) ББК 39.112:30. @ Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ),

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проектирование мостовых переходов, переходов через водотоки коммуникаций различного назначения и других речных инженерных сооружений выполняется с учётом возможного развития природных и антропогенных русловых процессов на исследуемом участке речной долины. В настоящей монографии описаны типы природных русловых процессов и наиболее известные системы их классификации. Рассмотрены вопросы учёта русловых деформаций при проектировании инженерных сооружений.

Существенное влияние на русловые процессы оказывают речные инженерные сооружения и прежде всего плотины ГЭС, мостовые переходы и русловые карьеры.

В Московском автомобильно-дорожном институте разработан метод расчёта деформаций речных русел в зоне влияния русловых карьеров, изложенный в Методических рекомендациях по расчёту деформаций русловых карьеров и учёту их влияния при проектировании мостовых переходов [22]. В дальнейшем уточнялась техника расчёта деформаций низового участка [23] и на участке попятного размыва [24]. В настоящем издании методические основы расчёта деформаций руслового карьера представлены с учётом работ [23, 24].

Автор выражает глубокую признательность Полищуку Владимиру Владимировичу за особо ценную помощь и полезные советы при подготовке электронной версии рукописи.

1. ПРИРОДНЫЕ РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

1.1. Речные долины и русла рек Речные долины образованы в большинстве случаев во время тектонических деформаций земной поверхности или при движении древних ледников [6]. Однако процесс формирования речных долин происходил и после их первичного образования и продолжается почти непрерывно под действием текущей воды.

На протяжении речной долины можно выделить три характерных участка (рис. 1).

Зона эрозии Зона транзита Зона аккумуляции наносов Рис.1. Схема деления долины главной реки по длине на характерные участки Первый, верхний по течению участок с наибольшим уклоном i называется зоной эрозии. Второй, средний участок с уклоном i2 называется зоной транзита наносов. Третий, нижний по течению уча сток главной реки, характеризуемый наименьшим уклоном реки i3, называется зоной аккумуляции наносов.

На поперечных разрезах среднего и нижнего участков речной долины всегда можно видеть слой наносов – аллювия, т. е. частиц грунта, принесённых водой. Под толщей этого слоя залегают породы первичной поверхности речной долины, образованной в древнем геологическом процессе. Такие породы называются коренными (рис. 2).

1 – наносы; 2 – коренные породы; 3 – русло; 4 – пойма Литологическое строение речных русел может быть разным (рис.3).

1.2. Реки, свободно формирующие своё русло Наиболее часто встречающиеся типы рек по русловому процессу представлены на рис. 4 [27].

Равнинные меандрирующие реки – это реки в зоне транзита.

Они отличаются исключительно извилистыми руслами в плане (рис.

4, а), значительно развитыми поймами и наличием большого числа отторгнутых излучин – староречий.

Рис. 3. Литологическое строение поперечного сечения русла:

а – в верховой части речной долины; б – то же при геологическом ограничении размыва; в – в средней части речной долины; г – в низовой части речной долины (русло блуждающей реки); д – теснина с легко размываемым дном; е – теснина с плотным, размываемым дном; КП – коренные породы; НП – наилок поймы; СА – современный аллювий; ДА – древний аллювий Рис. 4. Планы участков рек с различным типом руслового процесса:

а – меандрирующая (извилистая) река Кура; б – немеандрирующая река Днепр;

в – блуждающая река Аму-Дарья Меандрирующие реки – это обычно реки средней водности, такие как Ока, Дон в верхнем течении, Хопёр, Медведица, Мокша и др.

Равнинные немеандрирующие реки – это также реки в зоне транзита. Характеризуются значительным поступлением наносов с вышележащих участков, имеют практически неподвижные и неизвилистые русла в плане, повторяющие повороты долины и, как правило, с относительно слабо развитыми поймами. Наносы на немеандрирующих реках переносятся упорядоченно в виде медленно сползающих вниз по течению побочней, попеременно примыкающих то к одному, то к другому берегу (рис. 4, б). Немеандрирующие реки – это реки обычно очень крупные, типа Днепра, Волги, Оби, Иртыша, Зеи, Амура и т. д.

Блуждающие реки – это реки, протекающие в зоне аккумуляции наносов. Характеризуются неразвитыми поймами или чаще полным их отсутствием, широкими, но относительно мелкими руслами и очень мелкими фракциями руслового аллювия. Наносы, в избытке поступающие сверху, располагаются в виде беспорядочных островов, осерёдков и отмелей, делящих меженное русло на множество рукавов и протоков (рис. 4, в). Река как бы блуждает между собственными отложениями. Систематическое отложение наносов в руслах блуждающих рек нередко приводит к повышению их дна и соответственно уровней воды выше окружающей местности. Примерами рек этого типа могут быть Аму-Дарья, Терек и др.

Вопрос о русловых зависимостях – одно из средств прогноза изменений русел рек (русловых деформаций) на переходах через водотоки [8].

В 1926 г. директор Государственного гидрологического института (ГГИ) В. Г. Глушков на основании небольшого количества натурных данных получил обобщённую русловую зависимость Формула эмпирическая. Через 31 год профессор Московского автомобильно-дорожного института О.В. Андреев доказал возможность теоретического вывода этой формулы [3].

О.В. Андреев представил свою типизацию русел рек в 1957 г., в докладе на III Всесоюзном гидрологическом съезде [3].

В 1986 году О.В. Андреев опубликовал научно обоснованные русловые зависимости [8]. При этом следует отметить.

1. Число количественных характеристик русла шесть: три геометрические характеристики (ширина В, глубина Н, уклон I) и три характеристики потока (руслоформирующий расход воды Q, скорость течения V и расход наносов G).

2. Эти шесть характеристик связаны между собой тремя уравнениями:

уравнением скорости течения (формула Шези) уравнением расхода воды уравнением расхода наносов 3. Доказано: возможны только шесть естественных комплексов руслоформирующих факторов [9], в которых формируются русла шести типов (табл. 1).

4. Q – величина заданная, Н – результат формирования русла.

5. V, I, B и G – могут быть заданными, а могут формироваться (устанавливаться) в русловом процессе.

Классификация рек по типу руслового процесса Естественные комплексы Характеристики русел речных № руслоформирующих фак- потоков, формируемые под 6. Число возможных «естественных комплексов» (по М. А. Великанову) строго определяется как число сочетаний из четырех характеристик (V, I, B, G) по две.

Получено универсальное выражение для коэффициента формы русла Формула (6) была представлена О. В. Андреевым в 1957 г. в докладе на III Всесоюзном гидрологическом съезде. Её подробный вывод опубликован в 1960 г. [3].

При написании расчётных формул введено для краткости обозначение «нагрузки потока» руслоформирующими наносами Р = G/Q.

Расчётные формулы (табл.2) получены путём совместного решения трёх уравнений (2), (3), (4) для различных «естественных комплексов».

Характеристики, устанавливающиеся Наибольшее распространение во второй половине ХХ века получила классификация речных русел ГГИ [26]. В ней извилистость является одним из ведущих признаков, но наряду с последней учитываются транспортирующая способность потока, устойчивость русла, форма транспорта наносов, направленность вертикальных деформаций (врезание рек или аккумуляция наносов).

Рис. 5. Типизация русловых процессов (по ГГИ) Все возможные схемы деформаций русла равнинных рек, включающие в себя начальную, промежуточную и конечную стадии развития, в соответствии с гидроморфологической теорией руслового процесса ГГИ [20] следует подразделять на семь типов, представленных на рис. 5.

1. Ленточногрядовый тип руслового процесса распространён на средних и малых равнинных реках, сложенных из средних и крупных песков, а также на горно-предгорных участках русел и в отдельных протоках крупных равнинных рек. Как самостоятельный тип руслового процесса на равнинных реках встречается редко.

Ленточногрядовый тип характеризуется наличием в реке одиночных, занимающих всю ширину русла песчаных гряд, длина которых составляет 6-8 ширин русла, а высота 0,15 … 0,30 глубины в плёсе при высоких уровнях воды менее 10 %-ной обеспеченности.

Основные деформации русла при ленточногрядовом типе руслового процесса выражаются в сползании ленточных гряд по реке, вызывающем местные периодические повышения дна в фиксированном створе при прохождении гребней и понижении отметок при прохождении подвалий ленточных гряд.

Ленточные гряды легко выявляются при продольном эхолотировании русла, а также при аэровизуальной разведке и на аэроснимках меженного русла.

Ленточногрядовый тип руслового процесса характеризуется отсутствием поймы. Плановые деформации также отсутствуют.

2. Побочневый тип руслового процесса широко распространён на равнинных и горно-предгорных реках, сложенных из наносов любой крупности. Встречается в основном как самостоятельный тип руслового процесса на прямолинейных и слабоизвилистых участках рек, а также в отдельных рукавах при пойменной многорукавности и в меандрирующих руслах.

Побочневый тип руслового процесса характеризуется наличием в русле крупных песчаных образований, называемых побочнями.

Они занимают в меженный период большую часть ширины русла, частично обсыхают в межень и располагаются в русле в шахматном порядке. В период паводков побочни покрываются водой, и русло приобретает прямолинейный вид. Обсохшие в межень побочни придают руслу извилистость в плане. Участки русла между побочнями образуют перекаты. Плёсы в русле располагаются против выпуклых краёв побочней.

Русловые деформации при этом типе сводятся к сползанию побочней вниз по течению и в основном приурочены к периодам половодий и паводков. Высота побочней составляет 0,3Нпл, где Нпл – глубина в плёсе, соответствующая уровню бровок русла, а длина побочней составляет 4 … 8 В, где В – средняя ширина русла между бровками.

Побочневый тип руслового процесса характеризуется отсутствием поймы. Плановые деформации берегов несущественны и не имеют закономерного характера.

3. Ограниченное меандрирование – тип руслового процесса, распространённый чаще на равнинных реках, характеризуется извилистым руслом с углом разворота до 120°, сохраняющим извилистость и во время паводка. Свободное развитие плановых деформаций русла при этом типе руслового процесса ограничено наличием неразмываемых склонов долины. Осевая линия русла имеет форму, близкую к синусоиде. Морфологическое строение русла такое же, как при побочневом типе. По обоим берегам реки за границами русла между неразмываемыми склонами долины располагаются чередующиеся обособленные пойменные массивы. Подмыв этих массивов с верховой стороны и наращивание с низовой стороны приводят к сползанию излучин без существенного изменения их плановых очертаний.

В межень перекаты размываются, а в половодье намываются.

В плёсах размыв приурочен к половодью, а намыв – к межени. На пойме следы меандрирования отсутствуют. Деформации поймы выражаются в постоянном нарастании пойменного массива в высоту в результате отложения наилка, образуемого преимущественно взвешенными наносами. Наиболее мощный наилок образуется в верховой части пойменного массива, в результате чего она повышается. В низовой части массива образуются береговые валы.

Скорость сползания излучин при ограниченном меандрировании следует определять по совмещению материалов разновременных съёмок русла.

4. Свободное меандрирование – самый распространённый тип руслового процесса на равнинных реках. Этот тип руслового процесса обычно развивается в широких речных долинах, склоны которых не ограничивают свободное развитие плановых деформаций излучин. Характеризуется наличием одного действующего русла, механизм переформирования которого значительно сложнее и разнообразнее, чем при ограниченном меандрировании, сохраняющем при сползании излучин свои размеры и плановые очертания.

В начальной стадии развития при углах разворота менее 90° излучины свободного меандрирования трансформируются по схеме ограниченного меандрирования, но при этом меняя (увеличивая) угол разворота. По мере увеличения угла разворота процесс трансформации излучин замедляется, меняется их форма (излучины вытягиваются). При углах разворота, близких к 140°, происходит разделение плёсовой ложбины и нарушение плановой симметрии в результате преимущественного развития одного из плёсов. Развитие излучин завершается сближением подмываемых берегов выше и ниже расположения смежных излучин, прорывом образовавшегося между ними перешейка. После прорыва возникает новая излучина, что нарушает нормальный ход развития смежных излучин. Скорости деформаций в зоне прорыва возрастают.

Общий ход глубинных деформаций в многолетнем разрезе подчинён характеру развития плановых деформаций. Глубинные деформации в пределах фиксированных плановых очертаний русла носят сезонный характер и сводятся к нарастанию перекатов и размыву плёсов в период половодья и к противоположным деформациям в период межени. При наличии базального слоя им определяется предельно возможная глубина размыва плёсов, а выступы коренных пород в русле, останцы на пойме и другие виды проявления ограничивающего фактора в плане вносят существенные изменения в циклическую закономерность развития плановых деформаций при свободном меандрировании.

При свободном меандрировании пойменный массив образуется несколькими излучинами. Рельеф поймы имеет гривистый характер. Гривы представляют собой образованные в ходе плановых деформаций береговые валы. В пойме свободно меандрирующей реки сохраняются староречья – изолированные от действующего русла отпавшие излучины, находящиеся в различной стадии отмирания и соединяющиеся с рекой при высоком уровне воды.

5. Незавершённое меандрирование является разновидностью свободного меандрирования. Характеризуется наличием спрямляющего протока излучин. Возникает в сильно затапливаемых во время половодья поймах, сложенных из легко размываемых пород грунта.

В начальной стадии излучины развиваются по схеме свободного меандрирования. Но задолго до завершения полного цикла развития излучины на пойме возникает и развивается спрямляющая протока, со временем превращающаяся в главное русло. По мере развития спрямляющей протоки деформации главного русла ослабевают.

Спрямляющая протока разрабатывается постепенно (на малых реках быстрее, на больших медленнее). По ней происходит интенсивное движение наносных скоплений в виде ленточных гряд, осерёдков, побочней. После того как спрямляющая протока примет основную часть расхода воды в реке, прежнее главное русло начинает превращаться в старицу и цикл возобновляется.

Этот тип руслового процесса легко опознаётся на картах и аэрофотоснимках участков рек достаточно большого протяжения по наличию спрямляющих проток, находящихся в разных стадиях развития.

Прогноз деформаций следует производить путём совмещения плановых материалов разных лет съёмок.

6. Пойменная многорукавность является дальнейшим развитием и усложнением незавершённого меандрирования, при котором спрямляются не отдельные излучины, а группы смежных излучин.

Характеризуется широкой поймой. Русловой процесс на каждом спрямляющем протоке может развиваться по законам любого типа руслового процесса. Выделить основное русло среди многочисленных протоков часто невозможно. Острова, образованные протоками, представляют собой участки поймы, обладающие значительной плановой устойчивостью.

Деформации русла реки в целом сводятся к медленному развитию спрямляющих протоков, их отмиранию и возобновлению, сопровождающемуся перераспределением расхода воды между рукавами. Спрямлениями, как правило, оказываются охвачены не отдельные излучины, как при незавершённом меандрировании, а группы смежных излучин.

При пойменной многорукавности в период половодий и паводков на пойме возникают вторичные протоки, не связанные с развитием незавершённого меандрирования.

При анализе материалов участков рек с пойменной многорукавностью требуется фрагментирование всех основных протоков по типам руслового процесса.

7. Осерёдковый тип руслового процесса (русловая многорукавность) распространён на участках равнинных и горно-предгорных рек с интенсивным движением донных наносов в условиях перегрузки потока наносами. Характеризуется распластанным руслом, по которому в паводочный период перемещаются мезоформы: осерёдки, побочни и ленточные гряды, в разной степени обсыхающие в период межени и создающие многорукавный облик русла.

В период межени и низких половодий на участках русел, сложенных из мелких наносов, происходят внутрирусловые плановые деформации контуров мезоформ. На горно-предгорных и равнинных реках с крупным и средним составом аллювия мезоформы сохраняют свои очертания, управляя меженным потоком. При такой разновидности осерёдкового типа и редко повторяющихся больших паводках поверхность мезоформ может закрепляться растительностью и осерёдки превращаются в осерёдки-острова. Если поток характеризуется большим содержанием взвешенных наносов, в результате их осаждения на спаде половодий и паводков и интенсивного отложения наилка осерёдки становятся менее подвижными.

Однако при высоких паводках редкой повторяемости, особенно на горных реках, эти образования приходят в движение.

На участках русел горно-предгорных рек [26] кроме ленточногрядового, побочневого и осерёдкового типов руслового процесса распространены типы, свойственные только горным рекам: горная пойменная многорукавность (пойменное блуждание) и долинное блуждание (рис. 6). Эти типы руслового процесса распространены в расширениях горных долин или при выходе рек из горной в предгорную зону.

Русловой процесс в целом в многолетнем и внутригодовом разрезе воспринимается как блуждание русла реки по пойме или долине, соответствующее типу горной пойменной многорукавности (на средних горных реках) или долинному блужданию (на малых горных реках).

В обоих случаях вероятность появления максимальных глубин одинакова для любого поперечного створа горной поймы или долины.

Рис. 6. Типы руслового процесса на участках рек горно-предгорной зоны:

а – горная пойменная многорукавность (пойменное блуждание);

В китайских классификациях русел (рис. 7), в отличие от отечественных и европейских, учитывается широкий спектр условий их формирования.

Последней из предложенных отечественных классификаций русел рек является морфодинамическая, разработанная Р.С. Чаловым (1996, 1997, 2008 гг.). Она является развитием схемы, предложенной Н.И. Маккавеевым и Р.С. Чаловым (1986). Эта классификация неоднократно уточнялась и получила известность по многим публикациям, как классификация МГУ.

Морфодинамическая классификация речных русел [29] представляет собой систему блоков (рис. 8), каждый из которых соответствует уровню развития русловых процессов и форм их проявления.

Русловые процессы предыдущего блока образуют фон, на котором происходят процессы руслоформирования, соответствующие каждому следующему блоку.

Блок I составляют типы русловых процессов, соответствующие горным, полугорным и равнинным рекам. При этом на горных реках выделяются русла с развитыми аллювиальными (грядовые), с неразвитыми аллювиальными (безгрядовые) формами, аллювиальные порожисто-водопадные, а также скальные (порожисто-водопадные и лотковые) и селевые.

Для равнинных рек по русловым процессам, т. е. по механизму взаимодействия потока и русла, эрозии, транспорта и аккумуляции наносов, можно выделить следующие типы: в водотоках 1 порядка – ручьях; на малых реках; на средних и больших реках (с выделением песчаных, галечно-валунных и равнинных скальных); в устьях рек и на устьевых барах. Для первых характерна параболическая форма живого сечения русла с величиной отношения глубины русла к его ширине h/bр от 1 : 2 до 1 : 10 и быстрым его изменением вплоть до рек X-XI порядков в гумидных областях [Ржаницин, 1985]. На средних и больших реках это отношение становится квазипостоянным, составляя величину около 0,001 и менее. Русло при этом на прямолинейных плёсовых участках распластано и имеет вид трапеции с очень малыми размерами боковых сторон. Такие различия в форме живого сечения и отношении h/bр определяют неодинаковые условия движения и кинематическую структуру потока и, соответстРис. 8. Структура морфодинамической классификации речных русел Р. С. Чалова:

I, II, … – основные блоки; А, Б, В – дополнительные блоки венно, его взаимодействие с дном и берегами рек.

В устьях рек и на устьевых барах специфика русловых процессов определяется растеканием водного потока и непосредственным воздействием на него морских факторов [Михайлов, 1971].

Блок II классификации включает в себя «геоморфологические»

типы русел – широкопойменные, адаптированные и врезанные, выделение которых основывается на геолого-геоморфологических факторах русловых процессов. Каждому из них соответствует определённое соотношение между шириной русла bр и шириной поймы Вп. Н. И. Маккавеев [1955] эти соотношения принимал в качестве косвенного показателя преобладания глубинной эрозии (врезания) реки (В п bр) или преимущественного развития боковой эрозии (горизонтальных русловых деформаций при В п (23) bр. Действительно, врезание реки осуществляется в том случае, если сток наносов меньше транспортирующей способности потока, т. е. существует дефицит наносов. Вследствие этого энергия потока затрачивается на размыв дна. С другой стороны, дефицит наносов не способствует развитию грядовых форм руслового рельефа и, следовательно, уменьшает возможности проявления горизонтальных деформаций, т. е. расширения дна долины. В результате чем больше дефицит наносов, тем интенсивнее врезание, тем уже дно долины и вероятнее образование беспойменного врезанного русла. Особенно отчётливо эта закономерность проявляется в условиях ограниченного развития русловых деформаций.

При отсутствии дефицита наносов (сток наносов соответствует транспортирующей способности потока) или его избытке в русле образуются разнообразные грядовые формы рельефа (побочни, осерёдки), которые способствуют его блужданию и формированию широкопойменной речной долины. Наиболее наглядно это проявляется в условиях свободного развития русловых деформаций, когда поток легко размывает берега, сложенные рыхлыми породами.

Адаптированные русла (дефицит наносов невелик, их количество ещё недостаточно для образования мощных русловых отложений, bр В п (23) bр) обычно встречаются в пограничных геоморфологических областях (Вилюй между Среднесибирским плоскогорьем и Центрально-Якутской низменностью, Днестр ниже Дубоссар, где река пересекает склоны Волыно-Подольской возвышенности, вступая в пределы Причерноморской низменности), либо в долинах, наследующих линейно вытянутые морфоструктуры, где узкое дно заключено между крутосклонными, сложенными из трудноразмываемых пород бортами, ограничивающими возможный размах горизонтальных деформаций. Величина стока наносов и степень развитости грядовых форм рельефа при этом определяющей роли не играют, обусловливая только интенсивность горизонтальных русловых деформаций.

Другим критерием выделения геоморфологических типов русла является соотношение между шириной дна долины В д (пойма + русло) и пояса блуждания русла (меандрирования, разветвления) В м(разв). Если В д = В м(разв), то при условии 1,6L русло является адаптированным (здесь – длина русла, L – шаг излучины или узла разветвления); при В д В м(разв) - широкопойменным, при В д В м(разв) – врезанным.

Блок III классификации включает в себя макроформы русла, которые прямо не связаны с горизонтальными русловыми деформациями, превышают предельные размеры русловых форм при современной водности реки, величине стока, крупности наносов, ширине русла, но в то же время оказывают влияние на их развитие (этот блок на схеме – рис. 8 – не расшифровывается). А. В. Панин [1991] для типизации макроизлучин – одной из разновидностей макроформ русла – предложил подход, аналогичный выделению геоморфологических типов, т. е. с подразделением макроизлучин на свободные, адаптированные (с одним коренным берегом) и врезанные. При этом все макроизлучины могут быть:

1) унаследованными от свободно меандрирующего русла;

2) наследующими регулярные (нормальные) врезанные излучины, соответствующие параметрам потока, но в своём заложении и размерах испытывающие влияние геолого-геоморфологических факторов;

3) предопределёнными геологическими и структурнотектоническими условиями.

Последние, в свою очередь, подразделяются на формирующиеся под влиянием активной тектоники (например, при огибании руслом растущих тектонических поднятий типа Самарской луки на Волге) и обусловленные пассивным приспособлением русла к рельефу и геологической структуре.

Врезанные макроизлучины развиваются благодаря возникновению в их привершинных частях гидравлических явлений, присущих изгибу потока, смещению русла в сторону вогнутого берега в соответствии с закономерностями развития русел с односторонней поймой и накоплению морфологических изменений, происходящих под влиянием экстремальных половодий (паводков). Макроизлучины широкопойменных русел (свободные) рассматриваются как реликтовые образования или изгибы пояса меандрирования реки. Развитие этих образований происходит на протяжении исторических и геологических отрезков времени через последовательное накопление происходящих морфологических изменений. При этом происходит сложение или вычитание воздействия центробежных сил на излучинах русла и на излучинах пояса меандрирования в зависимости от совпадения или несовпадения знаков их изгибов.

Подобный подход, очевидно, может быть применён к типизации макроформ разветвлённого и относительно прямолинейного, неразветвлённого русла. Врезанные макроразветвления, образованные коренными высокими островами, имеют размеры, соизмеримые с врезанными макроизлучинами (например, о-в Хортица на Днепре).

Для разветвлений широкопойменных рек аналогом излучин поясов меандрирования служат, очевидно, раздвоенные русла [Смирнова, 2002] – разделения русла на очень длинные рукава, проходящие в противоположных частях дна долины, имеющие протяжённость (в зависимости от размера реки) в десятки и сотни километров, на несколько порядков превышая ширину русла, и характеризующиеся своими особенностями руслового режима. Отсутствие излучин пояса меандрирования или раздвоенного русла свидетельствует о существовании прямолинейной широкопойменной макроформы русла.

Блок IV представлен собственно морфодинамическими типами русла: излучинами (меандрирование), разветвлениями (русловая многорукавность), относительно прямолинейным, неразветвлённым руслом со всеми их разновидностями. Русло каждого из типов может развиваться на фоне тех или иных макроформ, быть широкопойменным (для излучин широко используются термины «свободные излучины» или «свободное меандрирование»), адаптированным (соответственно «вынужденные», «адаптированные» и «вписанные излучины») или врезанным ( для излучин – «врезанные излучины»). При этом горные, полугорные и равнинные реки характеризуются специфическими особенностями развития русел любого морфодинамического типа.

Каждый морфодинамический тип русла представлен различными подтипами. В классификационной схеме (рис. 9) они соотносятся со свободными, адаптированными или ограниченными условиями развития русловых деформаций, поскольку последние во многом определяют специфику развития тех или иных излучин, разветвлений или прямолинейного, неразветвлённого русла, их морфологию, характер и направленность горизонтальных деформаций. При этом наиболее полно они представлены на равнинных реках с широкопойменной долиной. Некоторые их разновидности не свойственны горным рекам, равно как только для последних характерны, например, порожисто-водопадные русла. Адаптированные и врезанные русла имеют меньший набор разновидностей каждого морфодинамического типа, поскольку многие из них не имеют условий для своего развития. Среди широкопойменных русел выделяются не только свободные, но и адаптированные и вынужденные излучины, которые в виде одиночных форм встречаются там, где меандрирующее русло подходит к коренному берегу реки (или отклоняется от него).

Адаптированным является также широкопойменное прямолинейное русло, проходящее вдоль коренного берега. В аналогичной ситуации оказываются также многие разновидности разветвлённых русел, но у них собственно адаптированным может быть только один рукав, тогда как другой находится между береговой поймой и пойменным островом. Однако наличие коренного берега оказывает существенное влияние на переформирование всего разветвления.

Среди широкопойменных разветвлённых русел в схеме имеются «разбросанные русла». Это – сборный подтип, включающий в себя большую группу русел, слабо или практически не изученных в отношении их морфологии и динамики. Именно из него чаще всего выделяются новые разновидности сложных разветвлённых русел.

Блок V классификации включает в себя формы русла, осложняющие излучины, разветвления или относительно прямолинейное неразветвлённое русло и чем меньше устойчивость русла, больше сток наносов и количество руслоформирующих расходов Qф, тем вероятнее образование иерархии вложенных друг в друга форм русла, в том числе развивающихся в разные фазы гидрологического режима. По существу, отсутствие или наличие форм русла второготретьего порядков, создающих их иерархию, определяет морфодинамическую структуру речных русел, которая соответственно может быть простой или сложной. На реках со свободно меандрирующим руслом при прохождении Qф только одного интервала возникают излучины наиболее простой формы, при которой динамическая ось потока в целом повторяет очертания излучины. Если на реке проходят Qф двух или трёх интервалов, то возникает ещё более сложная иерархия излучин: сложные излучины, состоящие из нескольких смежных излучин с меньшим шагом и радиусом кривизны, которые, в свою очередь, осложнены извилинами динамической оси потока, огибающей побочни перекатов.

В разветвленном русле рукава могут меандрировать либо разделяться островами меньших размеров на относительно короткие рукава. В свою очередь, каждый такой рукав второго порядка может разделяться на ещё более короткие рукава небольшим островом, образующим разветвление третьего порядка. Таким образом, возникает иерархия разветвлений, а рисунок русла представляет собой иногда запутанный лабиринт рукавов разных размеров.

В прямолинейном неразветвлённом русле возможно образование извилин динамической оси потока возле расположенных в шахматном порядке побочней – аналогов излучин на уровне развития гряд-макроформ. В зависимости от соотношения параметров русла и островов разветвлённость может иметь второй или третий порядок, хотя русло в целом остаётся прямолинейным неразветвлённым.

В районах ограниченного развития русловых деформаций, где блужданию русел препятствуют трудноразмываемые или скальные породы, слагающие берега рек и дно, и сток руслообразующих наносов сравнительно невелик, в формирующихся врезанных руслах набор форм (иерархия) второго-третьего порядка ограничен. Нередко они имеют нерусловой генезис, будучи связанными с геологической структурой, или отражают геологическую историю развития речной долины, что характерно для иерархии врезанных излучин.

Чаще формы русла второго и третьего порядка встречаются во врезанном разветвлённом или прямолинейном русле, где они имеют аккумулятивное происхождение.

Блок VI классификации составляют формы руслового рельефа и русловые деформации, связанные с грядовым движением наносов, или скульптурные, обусловленные неровностями коренного ложа реки. В первом случае русла могут быть перекатными (перекатные участки), если рельеф их определяется развитыми макроформами руслового рельефа. При этом, следуя предложениям И. В.

Попова [Попов, 1965; Кондратьев и др., 1982], в зависимости от формы гряд выделяются побочневые, осерёдковые и ленточногрядовые русла, в которых побочни, осерёдки и ленточные гряды являются самостоятельными формами руслового рельефа. В свою очередь, перекаты часто представляют собой единые гряды, соизмеримые по ширине с самим руслом, в которых побочни являются их составной частью [Маккавеев, 1949, 1955; Чалов, 1979]. Если поток при данных гидравлических характеристиках обеспечивает транзит наносов, то формируется плёсовое русло, в котором грядымакроформы не определяют его основной рельеф. Для перекатных русел характерно чередование мелководий (перекатов) и плёсовых лощин, соответствующих межгрядовым понижениям дна русла.

Плёсовые участки глубоководные, русло обычно сужено, и гряды, формирующиеся в местных расширениях на излучинах, в узлах разветвления русла или слияния рукавов, составляют отдельные, не связанные друг с другом повышения отметок дна. Промежуточное положение занимают плёсово-перекатные русла, свойственные меандрирующим руслам и некоторым видам разветвлений, в которых кинематическая структура потока при большом стоке наносов и слабой устойчивости русла обеспечивает чередование плёсов и перекатов, положение которых строго приурочено к определённым элементам форм русла. Сюда же относятся бочажинные русла малых рек. Русла этого типа, а также болотных рек можно рассматривать как разновидности широкопойменных русел малых рек.

Дополнительно блоки классифицируют русла по показателям, которые определяют особенности развития каждого морфодинамического типа русла. Блок А даёт интегральную оценку интенсивности переформирований по степени устойчивости русла в соответствии с градациями принятых показателей – например, числа Лохтина, коэффициента стабильности русла Н. И. Маккавеева или других.

Блок Б характеризует русло по составу руслообразующих наносов, определяющих отличия в морфологии и динамике русел через их устойчивость и развитость грядовой структуры руслового рельефа.

Первый из них (А) сказывается в развитии русел на четвёртом, пятом и шестом уровнях (блоках) морфодинамической классификации.

Второй (Б) является одним из важных условий, определяющих тип русловых процессов.

Дополнительный блок В учитывает особенности развития русел при их врезании или направленной аккумуляции наносов. Врезание рек наиболее ярко проявляется в формировании врезанных типов русел. Например, в разветвлённом русле врезание реки, в первую очередь, проявляется в более многоводных рукавах, что приводит к объединению островов и причленению их к пойме, а в масштабах длительных отрезков времени – к уменьшению степени разветвлённости русла [Макавеев, Чалов, 1964]. Противоположная тенденция имеет место, если на реке с разветвлённым руслом происходит направленная аккумуляция наносов.

Четвёртый блок Г связан с формированием русла и руслового рельефа в условиях их трансформации техногенными и другими видами антропогенных воздействий вплоть до превращения русел в каналы, бетонированные лотки, запаханные русла малых рек и т. д.

Эта система блоков может быть дополнена блоками, в которых учитывается пересыхание, перемерзание рек и другие явления, также оказывающие воздействие и обусловливающие специфику проявления русловых процессов.

Подобный подход к разработке классификаций речных русел Н. И. Маккавеев [1976] сопоставлял с принципом построения минералогических комплексов, выдвинутым А. Е. Ферсманом. Он позволяет, с одной стороны, представить в единой схеме всё многообразие русел рек и их деформации, с другой – постоянно включать в неё новые элементы (ячейки) в каждом из блоков по мере расширения знаний о морфологии русел и режиме их деформаций.

Схемы распределения основных типов речных русел на европейской территории России, в Западной Сибири и в странах СНГ приведены в работе [26]. Картирование типов русловых процессов выполнено также в МГУ им. М.В. Ломоносова.

1.4. Учёт природных деформаций русел рек при проектировании переходов через водотоки Прогнозирование деформаций русел рек следует выполнять на основании комплексных исследований гидрологического режима реки и морфологического строения русла с учётом типа руслового процесса, геологических условий, динамики развития целостных морфологических структур русла и поймы: макроформ (пойменных массивов, речных излучин), мезоформ (ленточных гряд, побочней, островов, осерёдков), микроформ (гряд).

Природные деформации почти прямолинейных равнинных немеандрирующих рек, русла которых не смещаются по речной долине, выражаются в перемещении вертикали с наибольшей глубиной лишь в пределах русла. Продольное смещение побочней в пределах русла с неподвижными берегами может увеличить наибольшую бытовую глубину в створе проектируемого перехода, которая достигает максимума в тот момент, когда в створ смещается наиболее широкая и высокая часть (вершина) побочня.

Поэтому при проектировании должна учитываться наибольшая из глубин, измеренных во время изысканий в нескольких створах, которые проходят через вершины побочней.

Природные изменения равнинных меандрирующих рек заключаются в боковых перемещениях русла, приводящих к продольному сползанию русловых излучин. Зону продольного перемещения излучин русла в пределах речной долины называют поясом меандрирования. При проектировании переходов через водотоки необходимо учитывать возможность появления максимальной бытовой глубины русла практически по всей ширине пояса меандрирования.

Причём продольные перемещения излучин русла могут привести к смещению в створ проектируемого перехода наиболее глубокого сечения той излучины, на которой располагается переход.

В проектно-изыскательской практике обычно измеряют максимальные глубины на двух-трёх плёсах, расположенных выше проектируемого перехода.

Блуждающие беспойменные реки меняют очертания поперечных сечений русла беспорядочно, так как скопления наносов в русле с неустойчивыми берегами перемещаются тоже беспорядочно. Место развития наибольшей глубины в проектном створе неопределённо, поэтому наибольшая бытовая глубина может размещаться практически на любой вертикали поперечного сечения русла.

По материалам разновременных русловых съёмок можно установить характер и интенсивность руслового процесса на участке проектируемого мостового перехода.

При ленточногрядовом типе руслового процесса русло снимают в горизонталях или изобатах на протяжении трёх шагов ленточной гряды. Съёмку производят непосредственно после спада паводка, когда высота гряд наибольшая.

При побочневом типе руслового процесса русло снимают на протяжении четырёх шагов побочня по окончании паводка для фиксации наибольших глубин в плёсовых лощинах. Наинизшие отметки перекатов определяют промерами в конце меженного периода.

При осерёдковом типе руслового процесса с устойчивыми островами промеряют глубины по фарватерам обоих рукавов на всей их длине.

На реках с блуждающим руслом в паводковый период промеряют живые сечения в трёх створах: по оси перехода, выше и ниже по течению на расстояниях, равных половине ширины зоны блуждания. В каждом створе производят не менее 10 промеров за паводок.

При ограниченном меандрировании снимают в горизонталях излучины русла и прилегающие к ним пойменные массивы на ширину пояса меандрирования и на двойную длину шага излучины вдоль реки. Съёмку производят на спаде паводка для фиксации наибольших глубин в плёсовых лощинах; для определения наинизших отметок перекатов – в конце меженного периода.

При свободном меандрировании русловую съёмку выполняют по окончании паводка в пределах пересекаемой трассой излучины и двух смежных с ней – верховой и низовой.

При незавершенном меандрировании и пойменной многорукавности производят русловые съёмки на спрямляющих меандры протоках и пойменных рукавах в зависимости от типа руслового процесса в них.

Недоразвитую излучину, пересекаемую трассой, и смежные с ней излучины снимают так же, как и при свободном меандрировании.

На мостовых переходах в морских устьях рек, на конусах выноса селевых потоков, а также при сложном типе руслового процесса (например, движение побочней по развивающемуся меандру или пойменная многорукавность) русловые съёмки производят по индивидуальным программам.

При выборе вариантов расположения подводного нефтегазоперехода необходимо руководствоваться следующими общими требованиями [26]:

• располагать переход на прямолинейных или слабоизогнутых участках рек с минимальной шириной поймы;

• пересекать реку под углом, близким к прямому;

• пересекать широкие поймы на участке с минимальным числом стариц, озёр, болотистых участков, не допуская крутых поворотов трассы;

• поймы рек, подлежащие затоплению после возведения плотин, пересекать по прямой линии без углов поворота;

• по возможности избегать пересечений трассы с участками многорукавных русел и излучин, имеющих спрямляющие протоки;

• располагать переход в зоне наименьшего влияния сооружений I и II категорий (табл. 3, с. 36);

• в нижних бьефах гидроузлов размещать переход за пределами зоны активного однонаправленного размыва русла в удалении от подходных каналов к шлюзам.

Выбор основного варианта перехода осуществляется комиссией при обязательном участии организаций, выполняющих изыскания, проектирование и строительство перехода с привлечением специалистов, непосредственно занимающихся прогнозированием русловых деформаций.

Участки перехода следует выбирать в соответствии с вышеизложенными требованиями и с учётом типов руслового процесса:

• на участках русел рек с ленточногрядовым и побочневым типами – на плёсовых участках, в нижней части побочней и плёсов;

• при ограниченном и свободном меандрировании (для пологих излучин) – на плёсовых участках ниже вершины излучины;

• при свободном меандрировании (для хорошо развитых излучин с углом разворота более 120°) – вблизи точек перегиба ниже или выше (между плёсом и перекатом);

• при незавершённом меандрировании с развивающимся спрямляющим протоком – на отмирающей излучине без пересечения спрямляющего протока;

• при осерёдковом типе – в местах наиболее глубоких плёсов, низовых участков сползающих островов.

Методы количественной оценки природных русловых деформаций приведены в ВСН 163-83 [26]. Подробнее о природных русловых деформациях изложено в работах [7, 11, 13, 20, 26, 27, 29, 30].

2. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

НА РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Прогноз русловых и береговых деформаций в первую очередь должен учитывать разработку карьеров в руслах рек, а также дноуглубительные и русловыправительные работы на судоходных реках, способные изменить естественный гидрологический и русловой режимы рек на участке перехода в период эксплуатации проектируемого сооружения [26].

Прогнозу и расчёту деформаций русла в створе перехода должна предшествовать оценка общих тенденций естественного изменения участка реки и изменения, вызываемого воздействием гидротехнических сооружений, расположенных на реке выше или ниже по течению от размещаемого сооружения.

При оценке характера взаимодействия инженерных сооружений и руслового процесса необходимо учитывать, что все инженерные сооружения и мероприятия, проводимые на реках, разделяются на два класса: активные и пассивные (см. табл. 3 [26]). В дополнение к активным сооружениям I категории, перечисленным в табл. 3, по мнению проф. Н. Б. Барышникова,ж можно добавить дамбы обвалования большой протяжённости, а дамбы обвалования отдельного объекта отнести ко II категории.

При оценке влияния активных и пассивных сооружений на характер и интенсивность русловых деформаций в створах переходов следует учитывать, что:

• зона влияния на русловой процесс сооружений I категории простирается по реке выше и ниже их местоположения, захватывая участки реки, состоящие из нескольких макроформ;

• зона влияния на русловой процесс сооружений II категории ограничивается одной макроформой или несколькими мезоформами;

• возведение на реке пассивных сооружений не приводит к изменению русловых макроформ и мезоформ, а касается лишь перестройки русловых микроформ в непосредственной близости от сооружения или в его пределах.

Типизация гидротехнических сооружений по Б.Ф. Снищенко Изменение качественных и количественных характеристик твёрдого стока на участках существующих мостовых переходов, плотин, русловых и пойменных карьеров приводит к многоплановым негативным последствиям. Наиболее катастрофическими из них оказываются разрушения сооружений мостовых переходов.

Статистические данные по авариям мостов, имевшим место на всей территории России, в опубликованном виде отсутствуют.

По данным Министерства транспорта США (NYSDOT) с по 1988 гг. на территории этой страны были зарегистрированы аварии мостов [10], в том числе: 494 (60 %) – по гидравлическим причинам, т. е. из-за размывов оснований опор и конусов мостов;

108 аварий (~13 %) – из-за несчастных случаев (например, навалов судов на опоры моста); 84 (~10 %) – вследствие перегрузок; 24 (~ %) – как результат естественного старения материалов моста; (~3 %) – из-за пожаров; 36 (~4 %) – вследствие износа материала конструкций мостов; 14 (~2%) – в результате землетрясений; 39 (~ %) – по другим причинам.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что неучёт или неверный прогноз русловых деформаций под мостами, возникающих при пропуске максимальных расходов воды дождевых паводков или весенних половодий, является первопричиной (60 %) повреждения или разрушения сооружений мостовых переходов.

Выдающийся русский мостостроитель, почётный доктор инженерных наук в Германии, почётный член общества гражданских инженеров во Франции, почётный член Бетонного института в Англии Николай Аполлонович Белелюбский в 1875 г. при проектировании Сызранского моста через реку Волгу сформулировал и успешно применил принцип расчёта размывов под мостами: размывы под мостом, возникающие при стеснении потока, прекращаются, как только скорость течения воды в размытом русле снижается до русловой бытовой. Это положение впоследствии получило название постулата Белелюбского.

Постулат Н. А. Белелюбского долгое время оставался неизвестным широким инженерным кругам. Только в 1897 г. его автор, выступая на «IV съезде русских деятелей по улучшению водяных путей сообщения», изложил существо расчёта размывов, применяемого им в проектах уже более 20 лет. Н. А. Белелюбский не публиковал специальных работ по расчёту размывов; единственным печатным документом, содержащим изложение постулата, является стенограмма его выступления на упомянутом съезде. С 1897 г. применение этого постулата в проектах мостовых переходов было признано обязательным и продолжалось до 1957 г. (т. е. 60 – 80 лет).

В 1955 г. основоположник современного этапа науки о проектировании мостовых переходов О. В. Андреев доказал, что этот постулат является формулировкой одного распространённого частного случая, строгого, современного решения задачи о размывах под мостами. То есть, постулат Белелюбского справедлив, когда мост перекрывает только русловую часть речной долины.

Совершенствованию методов проектирования мостовых переходов (а также сопутствующим при этом гидрологическим и русловым расчётам) посвятили свои работы многие учёные: А. М. Фролов, А. А. Каншин, В. М. Лохтин, Н. С. Лелявский, Л. Фарг, Жирардон, Е. В. Болдаков, М. Ф. Срибный, В. М. Маккавеев, С. Т. Алтунин, К. С.

Ордуянц, Д. Л. Соколовский, С. Н. Крицкий, М. Ф. Менкель, Экснер (Австрия), М. А. Великанов, Н. М. Бернадский, В. Н. Гончаров, Г. И.

Шамов, И. И. Леви, К. И. Россинский, И. А. Кузьмин, Г. В. Железняков, М. М. Журавлёв, Б. Ф. Перевозников, Г. А. Федотов и др.

Основные исследования в области проектирования мостовых переходов производились после 1945 г. в лаборатории института транспортного строительства (О. В. Андреев и И. А. Ярославцев). В этой лаборатории были проведены натурные и лабораторные наблюдения за процессом размыва на мостовых переходах. На основе полевых измерений установлена связь расхода наносов с параметрами водного потока. Проведены работы по изучению образования русел различных типов; разработаны на этой основе методы расчёта размывов у мостов через реки разных типов; разработаны расчёты размывов в руслах рек и на поймах под мостами; исследован местный размыв у сооружений; дан общий гидравлический приём расчёта подпора; изучены общие принципы регулирования рек у мостов и разработаны расчёты конструкций регуляционных сооружений.

Для проведения полевых русловых исследований была создана специальная изыскательская аппаратура. Кроме того, разработаны расчёты мостовых переходов в подпоре, с затопляемыми подходами и т. д.

К настоящему времени методы расчёта мостовых переходов базируются на тех же научных предпосылках, которые приняты в основе проектирования гидротехнических речных сооружений.

Общий размыв под мостом происходит в результате стеснения водного потока подходами к мосту. Площадь поперечного сечения потока под мостом по окончании размыва может превышать ту площадь сечения, которая была до начала размыва, в определённое число раз, называемое коэффициентом размыва Р (рис. 10).

Местный размыв (рис. 11) является результатом локального нарушения гидравлической структуры набегающего на препятствие (опору моста, струенаправляющую дамбу, траверсу и т. д.) 1 – поперечный профиль дна до размыва; 2 – профиль дна после размыва речного потока. Развиваясь у передних граней опор, местные размывы могут привести к потере их устойчивости (по этой причине подмытая опора всегда падает вверх по течению).

Поток, набегающий с некоторой скоростью на опору, тормозится, при этом кинетическая энергия его уменьшается, а потенциальная, выражающаяся в местном поднятии уровня перед опорой, возрастает. Потенциальная энергия, в свою очередь, реализуется в кинетическую энергию нисходящих струй, которые, достигая дна, способны размывать его, вызывая появление воронкообразного углубления. Другой причиной местного размыва является местное сжатие струй, обтекающих препятствие.

1 – дно до размыва (штриховая линия); 2 – откос воронки; 3 – нисходящие струи; 4 – донные вихревые вальцы; 5 – струи, обтекающие опору Как показывают многочисленные исследования, скорость обтекания опоры потоком примерно в два раза превосходит скорость его набегания. Поэтому местные размывы у сооружения развиваются даже в тех случаях, когда собственная скорость потока меньше, чем непередвигающая для донных частиц грунта.

Глубина воронки местного размыва определяется гидравлическими параметрами потока – скоростью набегания и глубиной, а также формой, размерами препятствия и свойствами размываемого грунта. В практике проектирования мостовых переходов в последние годы получил наибольшее распространение метод расчёта местного размыва Союздорнии (д-р техн. наук М. М. Журавлёв [17]).

Отметка предельного размыва получается вычитанием из минимальной бытовой отметки подмостового русла величин общего и местного размыва.

Известно, что речные наносы, перехватываемые плотиной, откладываются в верхнем бьефе сооружения. Осветлённый таким образом водный поток насыщается в нижнем бьефе за счёт размыва дна русла. Значительные размывы отмечены, например, в Южно-Казахстанской области [21], на реке Сыр-Дарье (рис. 12).

Рис. 12. Размыв дна на приплотинном участке Чардаринской ГЭС Проектирование мостовых переходов, подводных переходов магистральных трубопроводов в нижних бьефах плотин ГЭС выполняется с учётом максимально возможного антропогенного размыва.

Речные карьеры нерудных строительных материалов (НСМ) – песок, гравий и песчано-гравийная смесь – получили широкое распространение во второй половине ХХ в. в связи с высокими рентабельностью и качеством добываемого материала. Особенно эффективно их устройство при возведении пойменных насыпей подходов к мостам.

Карьеры подразделяют на русловые и пойменные. Среди русловых можно выделить в качестве основной подгруппы карьеры, разрабатываемые в пределах меженного русла. Их называют подводными русловыми карьерами или, для краткости, просто русловыми.

Наиболее значительные объёмы добычи руслового аллювия отмечены на реках Томь, Кубань, Уфа, Белая, Ока, Иртыш, Днепр, Обь, Лена, Катунь, Волга, Дон, Северная и Западная Двина, Неман, а также на реках зоны БАМа, Карпат и др.

В Московском автомобильно-дорожном институте (1986, Г. Г.

Наумов) разработан метод расчёта деформаций руслового карьера. Задача решается в одномерной постановке на основе двух дифференциальных уравнений речной гидравлики, отражающих основные физические законы природы: уравнение баланса наносов (закон сохранения материи) и уравнение неравномерного, плавно изменяющегося движения потока в открытых непризматических руслах (закон сохранения энергии). Деформациям речного русла в зоне влияния русловых карьеров посвящены также работы Г. Г. Месерлянса, К. М. Берковича и других исследователей.

2.4.1. Негативные последствия устройства русловых карьеров Всякое изъятие из реки руслового аллювия приводит к многоплановым необратимым отрицательным последствиям, имеющим весьма широкий спектр [22]:

изменяются гидрологический и русловой режимы рек (вплоть до изменения типа руслового процесса), гидравлический режим боковых притоков; нарушается однородность гидрологических рядов и репрезентативность показаний опорных гидрологических постов;

в результате распространения низовой и попятной эрозии повреждаются и разрушаются мосты, нефтегазопереходы, другие подводные переходы коммуникаций, плотины, дамбы обвалования и другие регуляционные сооружения;

понижение уровней воды приводит к осушению водозаборов и водовыпусков, обмелению перекатов и ухудшению условий судоходства по фарватерам рек и у причальных стенок как на свободных реках, так и на карьерных участках в нижних бьефах ГЭС;

дефицит транзитных наносов, перехватываемых карьерами на реках, впадающих в море, приводит к деградации морских пляжей;

экологические изменения определяются, прежде всего, понижением уровня грунтовых вод – обсыхают колодцы, ухудшается плодородие почв, меняется видовой состав растительности; усиливаются эрозионные процессы – происходит обрушение берегов русла, развивается дефляция почв и грунтов; ландшафт из-за опустынивания пойм теряет свою эстетичность и утрачивает своё значение как зона отдыха населения;

загрязнение водной среды плавсредствами и повышение мутности речного потока мелкой грунтовой взвесью при разработке карьеров снижают рыбохозяйственное и промысловое значение реки (нарушение функционирования нерестилищ, гибель рыбы, бентоса и планктона, водолюбивых растений и животных).

Для района Украинских Карпат наиболее изученными в отношении антропогенного воздействия являются реки Быстрица Надворнянская и Стрый, На рис. 13 и 14 представлены совмещённые поперечные профили, наглядно иллюстрирующие характер, скорость и размеры глубинной эрозии русел, подверженных влиянию карьерных разработок. Средняя интенсивность понижения ложа реки Стрый у села Ходовичи составила за период наблюдений 25 см в год.

Активизация добычи инертных материалов из русел рек в последней трети ХХ века привела к многочисленным повреждениям и разрушениям речных инженерных сооружений. Так, весьма значительный ущерб причинён искусственным сооружениям на реке Стрый в результате интенсивной добычи русловых гравийногалечниковых отложений Ходовическим и Песчанским карьерами, расположенными в 18 км ниже г. Стрый. Разрушены автодорожный и железнодорожный мосты (рис. 15, 16), та же участь постигла переходы газопроводов.

Рис. 13. Совмещённые поперечные профили р. Быстрицы Надворнянской У села Песчаное расположен крупный узел газопроводов: восемь газопроводов, из которых шесть подземных и два наземных перехода (свайный и висячий). К 1980 г. было разрушено в различные годы эксплуатации пять подземных газопроводов. Последний подземный газопровод (шестой) диаметром 720 мм был разрушен прошедшими ливневыми паводками 25 июля 1980 г.

По данным института ВНИПИ «Трансгаз», за несколько лет конца 70-х годов ХХ века с этого участка реки было добыто и вывезено около 1 млн. м3 гравийно-галечниковой смеси. В материалах полевых изысканий института УкрНИИГиМ (1980) зафиксировано понижение отметок дна реки Стрый в створе 2-го свайного газопереРис. 14. Совмещённые поперечные профили реки Стрый у села Ходовичи Рис. 15. Разрушение автодорожного моста на реке Стрый Рис. 16. Восстановление железнодорожного моста на реке Стрый, разрушенного в результате необоснованного устройства руслового карьера вблизи мостового перехода Рис. 17. Понижение дна реки Латорицы на участке нефтеперехода хода за время его эксплуатации (с 1972 г.) в отдельных точках от до 3 м. Аналогичная картина отмечена на реке Быстрице Надворнянской у села Черниев, на реке Латорице в Закарпатье (рис. 17) и в других регионах.

На реке Томи в результате снижения уровней воды пришлось заменить ранее действовавшие водозаборы. Не так давно построенная городская набережная теперь находится далеко от реки, и её основание на 1,0 … 1,5 м выше меженного уреза воды при общем понижении уровней воды 2,0 … 2,5 м. Обнажились ростверки опор Коммунального моста через реку Томь в г. Томске. В связи с «врезанием» русла в дно речной долины выше г. Томска образовался водопад с каменным «водосливом». Потребовалось переустройство (углубление) водозабора городского водопровода в г. Томске, создание «судоходной траншеи» в русле реки в районе г. Томска для восстановления судоходных условий на реке, углубление (или создание новых) колодцев в населённых пунктах, тяготеющих к реке Томи, из-за снижения уровней грунтовых вод, питающих реку при низких уровнях. Потребовались работы по ликвидации перепадаводопада в месте обнажения скальных пород выше г. Томска.

2.4.2. Основы расчёта деформаций русловых карьеров Задача решается в одномерной постановке методом конечных разностей с использованием дифференциальных уравнений речной гидравлики, отражающих основные физические законы природы:

уравнение баланса наносов (закон сохранения материи) уравнение неравномерного, плавно изменяющегося движения потока в открытых непризматических руслах (закон сохранения энергии) Приняты следующие положения и допущения:

• песчано-гравийный карьер разрабатывается на всю ширину русла;

• непрерывный водомерный график заменяется ступенчатым;

• очертание продольного профиля размытого дна выше и ниже карьера изменяется по линейной зависимости;

• наименьшая отметка смыва низового участка карьера соответствует УНС («уровню неразмывающей скорости», соответствующей глубине hнер, при которой прекращается движение наносов, рис. 18).

Расчёт деформаций русла по уравнению баланса наносов позволяет определять средние отметки дна в любой точке по длине, в конце любого расчётного интервала времени. Для перехода к минимальным отметкам необходимо учесть возможные природные деформации русел, а также отношение наибольшей глубины в русле к средней.

Расчётная схема (см. рис. 18) рассматривается для случая постоянного расхода воды в реке. При изменении расхода воды расчёт деформаций дна русла и свободной поверхности воды может быть многократно повторён для всех ступеней изменения уровня воды. На этой схеме профиль свободной поверхности потока показан для начальной стадии существования карьера. Снизу вверх выделены пять характерных участков:

1) низовой участок с бытовыми условиями потока (равномерное движение, расход наносов G = Gб); под влиянием карьера участок не деформируется; здесь Gб – расход наносов в бытовых условиях;

2) низовой участок с неравномерным движением, где в связи с перехватом карьером поступающих сверху наносов возникает их дефицит и происходит размыв; этот участок является зоной насыщения потока наносами от G = 0 в начале участка, т. е. в створе низовой бровки карьера, до G = Gб в конце этого участка. Смыв грунта сопровождается постепенным перемещением концевого створа вниз по течению. В принципе это смещение может происходить до устья реки, на которой расположен карьер;

3) карьерный участок, ограничен верховым и низовым откосами карьера, Iкар Iб. Транзитный твёрдый сток на этом участке прекращается, и происходит отложение наносов, состоящих из продуктов бытового твёрдого стока и попятного размыва четвёртого участка. G = 0 до тех пор, пока не будет заполнен наносами объём карьера ниже УНС. Отметка УНС переменная и зависит от высоты уровня воды в расчётный момент времени. Глубина hнер (см. рис. 18) вычисляется по формуле где m = 1/n – «коэффициент гладкости» русла;

dср – средняя крупность донных наносов, м;

hб – средняя глубина воды в бытовых условиях, м.

Объём карьера Wн, расположенный ниже УНС, определяется по формуле где В – ширина русла при уровне средней межени (УСМВ), м;

4) верховой участок с неравномерным движением водного потока, на котором при наличии положительного перепада свободной поверхности потока на входе в карьер происходит попятный размыв (G = Gб + Gпр, здесь Gпр – расход наносов попятного размыва).

Продольный профиль свободной поверхности потока на этом участке представлен кривой спада. На этом участке возможно возникновение и кривой подпора (в случае очень коротких карьеров);

при этом G Gб (частичная аккумуляция бытового твёрдого стока по длине этого участка). Но в дальнейшем, по мере удлинения карьера при его разработке, развитии смыва дна на втором участке и понижении уровня воды на третьем участке, русловые деформации на четвёртом участке начинают протекать уже по схеме длинного карьера (попятный размыв, G Gб).

Отметка дна в створе верховой бровки карьера понижается.

По мере развития вверх по течению попятного размыва, сопровождаемого удлинением кривой спада, створ с бытовой глубиной, т. е. с бытовым дном, не нарушенным попятным размывом, отодвигается вверх по течению;

5) верховой участок с бытовыми условиями потока (равномерное движение, G = Gб). Отметки дна на этом участке под влиянием карьера не изменяются.

Деформации дна русла и свободной поверхности потока происходят на втором, третьем и четвёртом участках, суммарная длина которых определяет протяжение зоны влияния руслового карьера.

На втором участке размывается низовой откос карьера и дно русла ниже карьера, а бытовой твёрдый сток к концу участка восстанавливается. На третьем участке вследствие резкого снижения скорости потока транзитный твёрдый сток прекращается, происходит отложение в карьере продуктов бытового твёрдого стока и попятного размыва. На четвёртом участке при наличии положительного перепада свободной поверхности потока на входе в карьер происходит попятный размыв.

Глубина карьера hкар (см. рис.18) отсчитывается от бытового дна по двум причинам: во-первых, по этой глубине определяется полезный объём карьера, и, во-вторых, уровень воды в русле, а, следовательно, и глубина hб могут изменяться во времени.

Глубина потока в карьере будет равна где = hкар/ hб – отношение глубины карьера к глубине потока в бытовом состоянии.

Скорость потока в карьере, при условии, что ширина потока и карьера одинаковы, может быть выражена формулой Уклон свободной поверхности потока над карьером (9) Перепад свободной поверхности потока на выходе из карьера где – коэффициент скорости.

По мере увеличения, т. е. с ростом глубины карьера, вычитаемое выражения, стоящего в квадратных скобках, уменьшается. В пределе, при, оно становится нулевым. При отсутствии карьера ( = 0) коэффициент скорости =1 и zн = 0.

Допустим, что в обычных пределах изменения (от 3 до 10) 0,85 const, а 2 = 0,7. Тогда получаем f1() 1,4 const, с точностью до 2%. Использование f1() = const существенно упрощает дальнейшие вычисления. Результаты расчётов сведены в табл. 4, из которой и следует, что почти постоянное равенство f1() = 1, действительно оправдывается.

Таким образом, выражение для перепада zн можно привести к виду Годовой объём отложения наносов в карьере определяется по формуле где Gм – суточный среднемноголетний бытовой расход наносов при УСМВ;

Gпв I – то же на i – й ступени паводка;

tпв – продолжительность паводка в сутках;

tпв – величина расчётного интервала времени в паводочный период в сутках;

Nпв – количество расчётных ступеней паводка;

Kп j – коэффициент водности j – го года.

Общий объём отложения наносов в карьере за период его разработки где tр – продолжительность разработки карьера, лет.

Расход наносов G для любого уровня воды при проектировании переходов через водотоки обычно определяют по одной из формул транспортирующей способности потока. Наиболее часто используют формулу И. И. Леви, которую можно записать в следующем виде:

где коэффициент А = (Ад + Ав)(1 – Vнер/ V)h–1/2 ;

Ад и Ав – характеристики донных и взвешенных наносов руслоформи-рующих фракций, определяемые по табл.5 или по формулам, графикам (см., например, «Проектирование автомобильных дорог:

Справочник инженера-дорожника», 1989);

Vнер – начальная скорость движения наносов формулы транспортирующей способности потока Время, необходимое для заполнения карьера наносами до УНС, при использовании среднемноголетних характеристик твёрдого стока оказывается равным Если tзан tр, то транзит наносов через карьер за время разработки не восстановится. Однако для анализа продолжительности понижения уровня воды в реке в зоне разрабатываемого карьера (и после окончания его разработки) определение времени tзан остаётся необходимым.

Длина карьера определяется по формуле где Ку – коэффициент уноса – отношение объёма грунта, разработанного в подводном карьере, к потребному объёму добычи W.

Коротким называется карьер, длина которого мала настолько, что zв 0 (см. рис.18) и попятный размыв отсутствует. При этом максимальная длина карьера определяется выражением Перепад свободной поверхности потока на входе в карьер Перепад свободной поверхности потока на входе в карьер zв меняется во времени, принимая отрицательное, равное 0 и положительное значения. Сначала, пока карьер разработан на длину кар доп (короткий карьер), перепад zв 0. Затем, по мере разработки карьера в длину, он становится нулевым (при кар = доп), и, наконец, zв 0 при кар доп (длинный карьер), когда обязательно начинается попятный размыв.

Низовой откос и прилегающий ниже участок обязательно размываются, так как поступление наносов в карьер продолжается, а вынос их из карьера возможен только в случае насыщения потока наносами до его транспортирующей способности за счёт смыва низового откоса и следующего за ним участка.

Определение максимально допустимой длины карьера, при которой ещё не начинается попятный размыв, может быть выполнено по уравнению, полученному из формулы (14):

Частное от деления Vб2 на Iб позволяет ввести в расчёт модуль скорости hб2/3/n. Модуль скорости в квадрате равен hб4/3/n2, и выражая hб через hкар и, получим где • = 1,4 hкар4/3/2g n2 – характеристика карьера, а F() меняется от (табл. 6) при = 0 (отсутствие карьера) до 0, когда карьер бесконечно глубок.

Данные табл. 6 можно представить в виде графика F() (рис.19).

Использование табл. 6 и графика зависимости F() возможно в двух вариантах:

1) непосредственное определение допустимой длины карьера, при которой отсутствует попятный размыв;

2) определение возможности расчёта деформаций карьера заданной длины кар без выполнения расчёта допустимой длины.

Очевидно, что в последнем варианте возможны три случая:

1) если кар/• F(), то попятный размыв происходит, и в карьер поступает увеличенный по сравнению с бытовым расход наносов;

2) если кар/• = F(), то попятный размыв отсутствует, а в карьер поступает бытовой расход наносов;

3) если кар/• F(), то происходит задержка части бытового стока наносов в зоне кривой подпора, в карьер поступают наносы с расходом меньше бытового, и заполнение карьера наносами замедляется.

Как уже отмечалось выше, расчётная схема карьера состоит из пяти участков (см. рис. 18, 20). Положение низовой подошвы карьера по длине реки в процессе развития деформаций дна русла остатся практически неизменным. Поэтому этот створ выбран в качестве начала отсчёта расстояний вниз и вверх по реке. Верховая бровка карьера при наличии попятного размыва понижается и смещается вниз по течению.

2.4.3. Расчёт деформаций низового участка На рис. 20 показаны последовательные положения профиля дна низового участка до стабилизации УНС. Возможны две схемы изменения очертания продольного профиля для низового участка зоны влияния карьера после стабилизации УНС при постоянном расходе воды (рис. 21).

За время t вынос наносов вниз по течению равен Gбt. Этот объём создаётся смывом грунта на длине (1 = 2 = 3 = … = n) и равен (В/2)(hнер – hб). Уровень воды над смытыми участками понижается на величину zн.

Для упрощения расчёта достаточно считать:

а) смываемые клинья треугольниками;

б) криволинейное очертание поверхностей смыва дна (также как и до стабилизации УНС) характеризуется равными продольными площадями смыва (см. рис. 21).

В каждом створе низового участка происходит постепенное, с течением времени, понижение дна (рис. 21, а), так как вплоть до заполнения карьера наносами до УНС последние не проходят через него транзитом. После заполнения объёма Wн, см. формулу (8), наносами, поступающими сверху по течению, на что потребуется время tзан (12), восстанавливается транзит наносов через карьер. По мере продолжения аккумуляции наносов в карьере (выше УНС) расход транзита наносов будет постепенно возрастать до бытового значения Gб.

Отметка уровня воды в створе 2 (см. рис. 20) в процессе смыва дна реки понижается, за исключением первого отрезка времени, когда (в связи с возникшими местными сопротивлениями на выходе из карьера) отметка повышается на величину zн (см. п. 2.4.2).

При Т tр, когда местные сопротивления на выходе из карьера уже не ощущаются, отметку поверхности воды в створе 2 определяют непосредственно по уравнению неравномерного плавно изменяющегося движения в открытых непризматических руслах ( по В.И.

Чарномскому) Рекомендуется определять hср последовательными приближениями, зная, что hср = 0,5 (hб + h2), задают z2 и h2, вычисляют hср и z2, проверяют соотношение z2 (УНС + h2), исправляют z2 и h2 (в нужном направлении) и т. д. Здесь следует подчеркнуть, что не является необходимой высокая точность вычислений, так как срок распространения смыва грунта дна вниз по течению определяется, конечно, приблизительно, т. е. устанавливается лишь порядок величины этого срока, а не точное значение, не играющее какой-либо определяющей роли.

Задавая ряд интервалов времени понижения дна соответственно на длинах, 2 и т. д. (см. рис. 21), можно установить ряд значений отметки z2 в створе 2.

По мере развития размыва на низовом участке и понижения уровня воды в створе 2 (см. рис. 20) происходит одновременное понижение УНС. Для первого временного шага расчёта (рис. 22) длина распространения смыва низового участка определяется по формуле Рис. 21. Расчётные схемы смыва низового участка а - схематизация треугольниками; б - схематизация криволинейными На низовом участке карьера, где движение водного потока является неравномерным, в связи с перехватом карьером поступающих сверху наносов возникает дефицит наносов и происходит размыв. Этот участок называется зоной насыщения потока наносами от G = 0 в начале участка (точка 2 на рис. 22), т.е. в створе низовой бровки карьера, до G = Gб в конце этого участка (точка 3). Наинизшая точка смыва низового откоса карьера (точка 2), принадлежащая отрезку 1-2 продольного профиля карьера, совпадает с УНС.

Глубина hнер вычисляется по формуле (7).

Площадь треугольника 223, умноженная на ширину свободной поверхности водного потока В, соответствует объёму грунта, смываемому за первый расчётный интервал времени t. При этом бровка низового откоса карьера (точка 2) меняет своё положение (точка 2).

Створ подошвы низового откоса карьера (точка 1 продольного профиля на рис. 22) в процессе смыва низового участка остаётся в неизменном положении и принят за начало локальной системы координат для расчёта деформаций на этом участке.

Рис. 22. Низовой участок начальной расчётной схемы Положение УНС может изменяться в зависимости от хода уровней воды (УВ): УНС понижается при подъёме УВ и повышается на спаде паводка. В связи с этим при пошаговом расчёте наинизшая отметка смыва к концу расчётного интервала времени t может располагаться ниже, выше или совпадать с текущим положением бровки низового откоса карьера (точка 2). При этом возможны расчётные схемы, приведенные на рис. 23, 24, и 25.

Величина смыва h2 в створе низовой бровки карьера, соответствующая положению точки 2 на рис.22, определяется выражением где h2 – текущее значение глубины воды в створе 2 (для первого расчётного интервала времени h2 принимается равным hб; перепад уровней zн в дальнейшем, по мере смыва низового откоса карьера, исчезает).

При положительном значении h2 возможны расчётные схемы, приведенные на рис. 23 (площади смыва заштрихованы). При h2 = 0 справедлива схема 3 (см. рис. 24), а схема 4 (см. рис. 25) применяется при h2 0. Очертание профиля свободной поверхности потока определяется по уравнению неравномерного, плавно изменяющегося движения в открытых непризматических руслах (16).

Рис. 24. УНС совпадает с точкой 2 Рис. 25. Положение УНС На спаде паводка очередное положение точки пересечения УНС с текущим очертанием продольного профиля дна (точка 3 на рис. 25) может оказаться на отрезке 2 – 3. Таким образом формируется полигональное очертание продольного профиля низового участка карьера (рис. 26).

Для решения задачи в общем виде (с применением ПЭВМ) рассматривается продольный профиль полигонального очертания с произвольным числом переломных точек (см. рис. 26). Площадь смыва (на рисунке заштрихована) определяется транспортирующей способностью потока:

где Gб – бытовой расход наносов, м3/с;

t – расчётный интервал времени, сут;

В – ширина свободной поверхности водного потока, м.

Рис. 26. Схема изменения полигонального очертания На каждом расчётном шаге требуется определять новое очертание продольного профиля. Такая задача решается последовательным сравнением суммарных площадей треугольников, имеющих общую вершину в точке 2 (см. рис. 26), с предварительно вычисленной для данного расчётного интервала времени площадью смыва Sсм.

Предположим (см. рис. 26):

Тогда точка 3 будет находиться между точками 4 и 5. Положение точки 3 на отрезке 4-5 определяется аналитически, см. формулы (23), (24) на с. 65. Новый продольный профиль пройдёт через точки 1, 2, 3, 5, 6 и 7. Этим точкам присваиваются новые порядковые номера (на рис. 26 показаны в скобках), и расчёт повторяется многократно с расчётным интервалом времени t. Аналогичным образом поступают при любом из упомянутых выше взаимном положении УНС и полигональной линии продольного профиля.

Расчёт координат продольного профиля по схеме 1 (см. рис.

23, а) начинается с определения положения УНС на низовом откосе карьера где mк – коэффициент заложения низового откоса карьера (см. рис.

22).

Координаты точки 3 определяются в результате решения системы уравнений Здесь Sсм – площадь треугольника 223 – величина, предварительно вычисляемая по формуле (18).

Введём обозначения: х2 – х2' = А; z2 – z2' = В; х3 – х2 = С; z3 – z2 = D. Тогда исходные уравнения примут вид Решив эту систему уравнений подстановкой (22) в (21) относительно х3' и z3', получаем искомые координаты точки При выполнении расчёта координат продольного профиля по схеме 2 (см. рис. 23, б) положение УНС определяется по формулам (19) и (20). Затем вычисляется площадь треугольника На эту величину уменьшается площадь смыва Sсм, вычисляемая по формуле (18), Координаты точки 3 (см. рис. 23, б) определяются из условия равенства уменьшенной площади смыва S'см площади треугольника 233' путём решения системы уравнений Обозначим х3 – х2' = А; z3 – z2' = В.

Уравнение (26) примет вид После подстановки (27) в (28) в результате элементарных преобразований получаем Координаты точки 3 (схема 3 на рис. 24) вычисляются по формулам (29) и (30) с заменой в них S'см на Sсм и индексов 2 на 2.

По схеме 4 (см. рис. 25) положение УНС (точка 3) определяется по следующим формулам:

Координаты точки 4 (см. рис. 25) вычисляются по формулам (29) и (30) с заменой в них S'см на Sсм и индексов 2 и 3 соответственно на 3 и 4.

Зависимости (19), (20), (23), (24), (29), (30), (31), (32) предназначены для алгоритмизации компьютерного расчёта. На следующем этапе совершенствования техники расчёта деформаций русловых карьеров полигональное (см. рис. 26) очертание продольного профиля может быть заменено на криволинейное, как наиболее адекватное техногенным русловым процессам, происходящим в зоне влияния руслового карьера.

При этом представят несомненный интерес сопоставительные расчёты на основе полигонального и криволинейного очертаний продольного профиля на участках контрольных створов (например, мостового перехода, подводного перехода продуктопровода и др.), расположенных в зоне влияния руслового карьера. Имеются в виду прогнозируемые величины размывов в контрольных створах и длина низового участка зоны влияния руслового карьера.

В длину зоны влияния руслового карьера (зоны изменения речного русла) входят три составляющие:

где пр – длина участка распространения попятного размыва нас – длина участка насыщения потока наносами (низовой 2.4.4. Расчёт деформаций русла выше карьера Уклон свободной поверхности потока над карьером рассчитывается в зависимости от фактической глубины потока в карьере. По мере понижения уровня воды в створе 2, в связи со смывом низовой бровки карьера (а также в связи с отложением в карьере наносов, поступающих сверху по течению) глубину потока над дном карьера необходимо периодически корректировать.

В начальный период, т.е. при zн 0, снижения бытовой свободной поверхности в створе 3 не будет. Это наблюдается до тех пор, пока длина карьера не превысит «допустимую», формула (14).

В последующее время понижение бытового уровня в створе 3 обязательно и определяется оно уже не только малостью уклона Iкар, а и понижением отметки z2 (в створе 2) в связи с общим врезанием речного потока в размываемое дно.

Понижение уровня воды в створе 3 означает образование в зоне выше карьера по течению кривой спада, возрастание скоростей течения на её протяжении (сверху вниз) и смыв грунта (попятный размыв). Понижение дна реки не только ниже карьера по течению, но и выше его приводит к возникновению опасных условий работы речных и береговых сооружений (вплоть до их повреждения и даже разрушения).

При кар доп (схема 5 на рис. 27) возможна частичная аккумуляция бытового твёрдого стока на четвёртом участке (см. рис. 18).

Отметка уровня воды в створе верховой бровки карьера (створ 3 на рис. 27) устанавливается по уклону свободной поверхности потока над карьером Iкар в зависимости от высоты уровня воды в створе низовой бровки (створ 2) где Iкар Iб.

Глубина воды в створе 3 в начале расчётного интервала времени где H3,i – отметка дна в створе 3 в начале расчётного интервала времени.

Рис. 27. Подпорное состояние верхового участка (короткий карьер, схема 5) Изменение уровня воды в створе Длина верхового участка Отметка дна в конце верхового участка (створ 4) Повышение отметки дна в створе где G3 – расход твёрдого стока при глубине h = h3,i.

Отметка дна в створе 3 в конце расчётного интервала времени Глубина воды в створе 3 в конце расчётного интервала времени Понижение уровня воды в створе 3 (Z3 Zб) означает образование на четвёртом участке кривой спада, возрастание скоростей течения на её протяжении и смыв грунта дна (попятный размыв, схема 6 на рис. 28).

Рис. 28. Попятный размыв для первого временного шага расчёта Увеличение скорости течения на конце кривой спада (т.е. в створе 3) вызывает увеличенный принос наносов в карьер, т.е. ускорение его занесения. При снижении бытовой глубины на величину Z3 скорость возрастает до значения а транспортирующая способность потока в створе 3 возрастает до За расчётный интервал времени t (тот же, что и интервал, принятый в расчёте смыва низового участка карьера) вынос наносов в карьер достигает а объём попятного размыва Длина зоны смыва 4 при попятном размыве определяется как длина кривой спада в результате решения системы уравнений (41) где Z3б – бытовая отметка свободной поверхности потока в створе 3;

При этом площадь продольного сечения зоны смыва Величина смыва в створе 3 по схеме 6 (рис. 28) На рис.28, 29, 30 показано суммарное отложение в карьере продуктов попятного размыва и бытового твёрдого стока.

По мере развития попятного размыва могут возникать расчётные случаи, представленные на рис. 29 и 30 (схемы 7 и 8).

Расчёты элементов продольного профиля по схемам 6 и аналогичны. При выполнении расчёта по схеме 8 величина смыва в створе Рис. 29. Попятный размыв для второго и последующих временных Рис. 30. Попятный размыв для второго и последующих временных При многократном повторении схемы 7 возможно возникновение полигонального очертания продольного профиля дна русла наподобие схемы, представленной на рис. 26.

2.4.5. Расчёт деформаций карьерного участка Верховая бровка карьера смещается на величину (рис. 31, первый расчётный случай). Ввиду незначительного влияния уклона дна на четвёртом участке на величину, её можно вычислить по формуле Уклон дна на четвёртом участке Отметка новой бровки Нбр = Нд3 – Iд4 ·. Верховая подошва карьера смещается на величину Расстояние 0 (см. рис. 31) определяется выражением Коэффициент крутизны нового откоса Рис. 31. Первый расчётный случай отложения наносов в карьере В дальнейшем уклон верхового откоса приобретает значение уклона естественного подводного откоса mп (второй расчётный случай, рис. 32).

Рис. 32. Второй расчётный случай отложения наносов в карьере Во втором расчётном случае основными параметрами расчёта являются расстояния в и н (см. рис. 32), на которые смещаются верховые бровка и подошва карьера где hнас = Нбр – Нвп – Iб 0.

Если на первом шаге расчёта m mп, то на втором и последующих шагах в формулах (45), (48), (50), (51) величина mкар заменяется на текущее значение m.

Второй расчётный случай применяется однократно, и далее используется только третий расчётный случай (рис. 33), при котором Рис. 33. Третий расчётный случай отложения наносов в карьере 2.4.6. Упрощённый расчёт деформаций русла реки Такой расчёт применим для предварительных оценок возможных деформаций карьера с последующим детальным расчётом на ПЭВМ.

Карьер прерывает поступление наносов на нижележащий по течению участок реки, что приводит к понижению дна от створа низовой бровки карьера до створа насыщения потока наносами, соответствующего бытовому состоянию.

Приближённо длину участка насыщения потока наносами или длину низового участка, на котором происходят деформации дна, можно определить по формуле где hнк – величина смыва в створе низовой бровки карьера, м;

Iб – бытовой уклон водной поверхности.

Предельным является случай, когда смыв в створе низовой бровки карьера будет доходить до его дна где hкар – глубина карьера.

В общем случае, когда дно карьера находится ниже уровня, соответствующего неразмывающей скорости (УНС), а движение наносов в карьере отсутствует, где Zн – понижение уровня воды в створе низовой бровки карьера, hрб – средняя глубина воды в русле в бытовых условиях, м;

hнер – глубина, при которой начинается (или прекращается) движение наносов, соответствует неразмывающей скорости, м, где m = 1/n – «коэффициент гладкости» русла;

dср – средняя крупность донных наносов, м.

Понижение уровня воды в створе низовой бровки карьера где Vнер – начальная скорость движения донных наносов, м/c;

Vрб – скорость водного потока в русле в бытовых условиях, м/c.

Смыв дна реки в любом створе ниже карьера определяется интерполяцией где i – расстояние от низовой бровки карьера до данного створа, м.

Длина участка насыщения потока наносами нас, понижение уровня воды Zн и отметки дна hнк в створе низовой бровки карьера определяются подбором при совместном решении уравнений (53), (55), (57).

Распространение размыва в верховую сторону (попятный размыв) возможно в том случае, если длина карьера кар превысит допустимую длину доп где = hкар / hрб.

При кар доп длина зоны попятного размыва приближённо составит где hвк – толщина слоя смыва грунта в верховом створе карьера, принимаемая равной перепаду свободной поверхности где Iкар – уклон свободной поверхности воды над карьером:

Величина смыва дна реки в любом створе выше карьера также определяется интерполяцией Длина зоны влияния руслового карьера (зоны деформаций речного русла) 2.4.7. Особенности расчёта карьера, занимающего Расчёт деформаций руслового карьера предусматривает определение расхода наносов при любой скорости Vр Vрб по формуле Леви И.И.

где А = Ад + Ав.

В случае, когда в створе шириной Вр находится карьер шириной В = Вкар и глубиной hкар, расход наносов рассчитывается отдельно для каждой части ширины русла, т.е.

Влияние размещения руслового карьера на части ширины русла (т.е. при использовании только части ширины фронта переноса наносов) следует учитывать подсчётом раздельных модулей расхода частей водного потока и общего модуля где Кост – модуль расхода на участке Вр – Вкар.

Применяя обычную формулу Маннинга для коэффициента Шези, имеем где hкар – глубина карьера, отсчитываемая от уровня воды.

где hост – средняя глубина русла на участке Вр – Вкар.

Относительные величины = Вкар / Вр, 1 = hкар / hр и 2 = hост / hр определяются по данным проекта разработки карьера.

Изменённый уклон свободной поверхности потока может быть получен по формуле где Крб – модуль расхода воды русла в бытовом состоянии;

Кобщ – суммарный модуль расхода воды в карьере и остальной части русла (Кобщ Крб).

Смыв грунта в зоне насыщения потока наносами будет происходить по всей ширине русла уже на незначительном расстоянии от низового откоса карьера и может быть подсчитан, исходя из следующих обязательных условий.

1. Общий модуль расхода Кобщ может быть заменён эквивалентным, подсчитанным как бы для случая разработки карьера на всю ширину русла и равным ему по величине.



Pages:   || 2 |
 


Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТОРГОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ФГБОУ ВПО СПбГТЭУ) АНАЛИЗ, ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ СОЦИАЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ РЕГИОНОВ Коллективная монография САНКТ-ПЕТЕРБУГ 2012 1 УДК 339.1:378.1.005 ББК А Анализ, прогнозирование и регулирование социальной устойчивости регионов: Коллективная монография / ФГБОУ...»

«Влюбленность и любовь как объекты научного исследования  Владимир Век Влюбленность и любовь как объекты научного исследования Монография Пермь, 2010 Владимир Век Влюбленность и любовь как объекты научного исследования  УДК 1 ББК 87.2 В 26 Рецензенты: Ведущий научный сотрудник ЗАО Уральский проект, кандидат физических наук С.А. Курапов. Доцент Пермского государственного университета, кандидат философских наук, Ю.В. Лоскутов Век В.В. В. 26 Влюбленность и любовь как объекты научного исследования....»

«0 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им В.П. АСТАФЬЕВА Л.В. Куликова МЕЖКУЛЬТУРНАЯ КОММУНИКАЦИЯ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ На материале русской и немецкой лингвокультур КРАСНОЯРСК 2004 1 ББК 81 К 90 Печатается по решению редакционно-издательского совета Красноярского государственного педагогического университета им В.П. Астафьева Рецензенты: Доктор филологических наук, профессор И.А. Стернин Доктор филологических наук...»

«A POLITICAL HISTORY OF PARTHIA BY NEILSON C. DEBEVOISE THE ORIENTAL INSTITUTE THE UNIVERSITY OF CHICAGO THE U N IV E R SIT Y OF CHICAGO PRESS CHICAGO · ILLINOIS 1938 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ИСТОРИИ МАТЕРИАЛЬНОЙ КУЛЬТУРЫ Н. К. Дибвойз ПОЛИТИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ ПАРФ ИИ П ер ево д с ан гли йского, научная редакция и б и б л и о г р а ф и ч е с к о е п р и л о ж ен и е В. П. Н и к о н о р о в а Филологический факультет Санкт-Петербургского государственного университета ББК 63.3(0) Д Д ибвойз...»

«М.И. Гераськин СОГЛАСОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ИНТЕРЕСОВ В КОРПОРАТИВНЫХ СТРУКТУРАХ RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES Institute of control sciences named after V.A. Trapeznikov M.I. Geraskin COORDINATION OF ECONOMIC INTERESTS IN STRUCTURES OF CORPORATIONS Moscow 2005 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт проблем управления имени В.А. Трапезникова М.И. Гераськин СОГЛАСОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ИНТЕРЕСОВ В КОРПОРАТИВНЫХ СТРУКТУРАХ Москва УДК 338.24. ББК 65.9(2) Гераськин М.И. Согласование экономических интересов в...»

«С.Г. Суханов Л.В. Карманова МОРфО-фИзИОЛОГИчЕСКИЕ ОСОБЕннОСтИ энДОКРИннОй СИСтЕМы У жИтЕЛЕй АРКтИчЕСКИх РЕГИОнОВ ЕВРОпЕйСКОГО СЕВЕРА РОССИИ С.Г. Суханов Л.В. Карманова Морфо-физиологические особенности эндокринной системы у жителей арктических регионов Европейского Севера России Архангельск 2014 УДК ББК Суханов С.Г., Карманова Л.В. Морфо-физиологические особенности эндокринной системы у жителей арктических регионов Европейского Севера России.– Архангельск: Изд-во Северного (Арктического)...»

«Иссле дова нИя русской цИвИлИза цИИ ИсследованИя русской цИвИлИзацИИ Серия научных изданий и справочников, посвященных малоизученным проблемам истории и идеологии русской цивилизации: Русская цивилизация: история и идеология Слово и дело национальной России Экономика русской цивилизации Экономическое учение славянофилов Денежная держава антихриста Энциклопедия черной сотни История русского народа в XX веке Стратегия восточных территорий Мировоззрение славянофилов Биосфера и кризис цивилизации...»

«Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московской области ФИНАНСОВО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ Т.С. БРОННИКОВА, В.В. КОТРИН РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ РЫНОЧНОГО ПОТЕНЦИАЛА ПРЕДПРИЯТИЯ МОНОГРАФИЯ Королёв 2012 РЕКОМЕНДОВАНО ББК 65.290-2я73 Учебно-методическим советом ФТА УДК 339.13(075.8) Протокол № 1 от 12.09.2012 г. Б Рецензенты: - М.А. Боровская, доктор экономических наук, профессор, ректор Южного федерального университета; - Н.П....»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный юридический университет имени О.Е. Кутафина (МГЮА) Университет имени О.Е. Кутафина (МГЮА) Оренбургский институт (филиал) Кафедра гражданского права и процесса Е. В. Буянова ПРОЦЕДУРА УСЫНОВЛЕНИЯ ПО ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВУ ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАН Оренбург 2013 1 УДК 347.9 ББК 67.410 Б27 Сведения об авторе: Буянова Екатерина...»

«Федеральное агентство по образованию 6. Список рекомендуемой литературы Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования 1. Однооперационные лесные машины: монография [Текст] / Л. А. Занегин, Ухтинский государственный технический университет В. А. Кондратюк, И. В. Воскобойников, В. М. Крылов. – М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2009. – (УГТУ) Т. 2. – 454 с. 2. Вороницын, К. И. Машинная обрезка сучьев на лесосеке [Текст] / К. И. Вороницын, С. М. Гугелев. – М.: Лесная...»

«Российская Академия Наук Институт философии В.В. Бибихин ВВЕДЕНИЕ В ФИЛОСОФИЮ ПРАВА Москва 2005 УДК 340.1 ББК 67.3 Б 59 Ответственный редактор доктор филос. наук А.П. Огурцов Рецензенты доктор филос. наук В.И. Молчанов доктор филос. наук С.С. Неретина Бибихин В.В. Введение в философию права. — М., Б 59 2005. — 345 с. Эта монография возникла из курсов лекций, которые читал Владимир Вениаминович Бибихин на философском факультете МГУ в 2001–2002 гг. и в Институте философии РАН в 2002 г. Автор...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОЦИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Г.С. Жукова Е.В. Комарова Н.И. Никитина Квалиметрический подход в системе дополнительного профессионального образования специалистов социальной сферы Монография Москва Издательство Российского государственного социального университета 2012 УДК 37.0 ББК 74.5в642 Ж86 Печатается по рекомендации Н аучн о-образовательного и внедренческого центра кафедры матем атики и информа тики Российского...»

«ИНСТИТУТ СОЦИАЛЬНО-ПОЛИТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ЦЕНТР СОЦИАЛЬНОЙ ДЕМОГРАФИИ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ СОЦИОЛОГИИ УНИВЕРСИТЕТ ТОЯМА ЦЕНТР ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Сергей Рязанцев, Норио Хорие МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКОВ ТРУДОВОЙ МИГРАЦИИ ИЗ ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ В РОССИЮ Трудовая миграция в цифрах, фактах и лицах Москва-Тояма, 2010 1 УДК ББК Рязанцев С.В., Хорие Н. Трудовая миграция в лицах: Рабочие-мигранты из стран Центральной Азии в Москвоском регионе. – М.: Издательство Экономическое...»

«В.А. КАЧЕСОВ ИНТЕНСИВНАЯ РЕАБИЛИТАЦИЯ ПОСТРАДАВШИХ С СОЧЕТАННОЙ ТРАВМОЙ МОСКВА 2007 Оборот титула. Выходные сведения. УДК ББК Качесов В.А. К 111 Интенсивная реабилитация пострадавших с сочетанной травмой: монография / В.А. Качесов.— М.: название издательства, 2007.— 111 с. ISBN Книга знакомит практических врачей реаниматологов, травматологов, нейрохирургов и реабилитологов с опытом работы автора в вопросах оказания интенсивной реабилитационной помощи пострадавшим с тяжелыми травмами в отделении...»

«1 УДК 341 ББК 67.412 Ш 18 Шалин В.В., Альбов А.П. Право и толерантность:либеральная традиция в эпоху глобализации. – 2-е изд., перераб. и доп. – Краснодар. Краснодарская академия МВД России, 2005. - 266 с. Монография представляет собой первое оригинальное научное издание, формирующее целостное предствление о закономерностях развития концепции толерантности, о правовых и нравствтенных регуляторах взаимодействия личности, общества, государства в России и в странах Западной Европы. В книге, в...»

«Д.В. Городенко ОБРАЗОВАНИЕ НАРОДОВ СЕВЕРА КАК ФАКТОР РАЗВИТИЯ ПОЛИКУЛЬТУРНОГО ПРОСТРАНСТВА РЕГИОНА (НА ПРИМЕРЕ ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА — ЮГРЫ) Монография Издательство Нижневартовского государственного гуманитарного университета 2013 ББК 74.03 Г 70 Печатается по постановлению редакционно-издательского совета Нижневартовского государственного гуманитарного университета Науч ны й р еда кт ор доктор педагогических наук, академик РАО В.П.Борисенков Ре це нз е нт ы : доктор...»

«ТРУДЫ ИСТОРИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА СПбГУ Редакционный совет: д-р ист. наук А. Ю. Дворниченко (председатель), д-р ист. наук Э. Д. Фролов, д-р ист. наук Г. Е. Лебедева, д-р ист. наук В. Н. Барышников, д-р ист. наук Ю. В. Кривошеев, д-р ист. наук М. В. Ходяков, д-р ист. наук Ю. В. Тот, канд. ист. наук И. И. Верняев ББК 63.3(0)5-28 (4Вел) К 68 Рецензенты: д-р ист. наук, проф. Г.Е.Лебедева(СПбГУ), д-р ист. наук, ведущий научный сотрудник Н.В. Ревуненкова (ГМИР СПб) Печатаетсяпорешению...»

«Я посвящаю эту книгу памяти нашего русского ученого Павла Петровича Аносова, великого труженика, честнейшего человека, беспримерная преданность булату которого вызывает у меня огромное уважение и благодарность; светлой памяти моей мамы, Юговой Валентины Зосимовны, родившей и воспитавшей меня в нелегкие для нас годы; памяти моего дяди – Воронина Павла Ивановича, научившего меня мужским работам; памяти кузнеца Алексея Никуленкова, давшего мне в жизни нелегкую, но интересную профессию. В л а д и м...»

«Н.А. Ярославцев О существовании многоуровневых ячеистых энергоинформационных структур Невидимое пространство в материальных проявлениях Омск - 2005 1 Рекомендовано к публикации ББК 28.081 решением научно-методического УДК 577.4 семинара химико-биологического Я 80 факультета Омского государственного педагогического университета от 05.04.2004 г., протокол №3 Я 80 Н.А. Ярославцев. О существовании многоуровневых ячеистых энергоинформационных структур. Монография – Омск: Полиграфический центр КАН,...»

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ В. Д. Бордунов МЕЖДУНАРОДНОЕ ВОЗДУШНОЕ ПРАВО Москва НОУ ВКШ Авиабизнес 2007 УДК [341.226+347.82](075) ББК 67.404.2я7+67ю412я7 Б 82 Рецензенты: Брылов А. Н., академик РАЕН, Заслуженный юрист РФ, кандидат юридических наук, заместитель Генерального директора ОАО Аэрофлот – Российские авиалинии; Елисеев Б. П., доктор юридических наук, профессор, Заслуженный юрист РФ, заместитель Генерального директора ОАО Аэрофлот — Российские авиалинии, директор правового...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.