Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков на транспорт наносов в основном русле :

Краткое описание

Введение 4

1 Современное состояние проблемы

исследования движения донных наносов 7

1.1 Образование речных наносов и факторы их

обуславливающие 7

1.2 Движение речных наносов 13

1.3 Грядовый режим перемещения донных наносов 31

1.4 Натурные и лабораторные исследования

механизмов перемещения донных наносов 40

2 Методы расчета транспортирующей способности потока 55

2.1 Анализ основных причин неудовлетворительного состояния проблемы расчетов расходов донных

наносов в реках 56

2.2 Основные методы и формулы для расчета расходов

донных наносов 63

2.3 Оценка формул на основе фактических измерений 69

3 Эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков 81

3.1 Особенности морфологического строения пойм 83

3.2 Натурные и лабораторные исследования эффекта

взаимодействия руслового и пойменного потоков 91

3.3 Воздействие эффекта взаимодействия потоков

на уклоны водной поверхности 113

4. Влияние эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков

на транспорт донных наносов в основном русле 117

4.1. Общие положения 117

4.2 Результаты экспериментальных исследований по проблеме воздействия пойменного потока на транспорт наносов в основном русле 118

4.3. Натурные исследования по проблеме влияния пойменного потока на транспортирующую

способность руслового 123

4.4. Описание установки и методики проведения экспериментов 128

4.5. Анализ экспериментальных данных 131 Заключение 138 Список использованных источников 140 Приложения 148

Введение

Введение

Актуальность темы. Информация о донных наносах является крайне необходимой для проектирования и строительства различных гидротехнических сооружений, мостовых переходов, каналов различного назначения, дамб обвалования и других сооружений. Так, по данным экспертиз, около 20 % аварий мостов происходит из - за несовершенства расчетов русловых деформаций, основанных на информации о стоке донных наносов. В тоже время расходы донных наносов на сети гидрометслужбы не измеряются, а данные специальных наблюдений, в частности, за грядовым режимом перемещения наносов, как правило, не публикуются.

Анализ формул для расчета транспортирующей способности потока показал, что они применимы в ограниченном диапазоне изменения переменных, а погрешности расчетов по ним часто выходят за допустимые пределы.

В середине 50 — х годов прошлого века был вскрыт эффект взаимодействия руслового и пойменного потоков, но до настоящего времени не выполнена оценка влияния этого эффекта на транспортирующую способность русла. Хотя эта проблема имеет большое научное и практическое значение, так как основная часть стока донных наносов проходит именно в периоды высоких паводков и половодий.

Актуальным также является совершенствование методов гранулометрического анализа проб наносов.

Цели и задачи исследования.

1. Вскрытие закономерностей влияния эффекта взаимодействия руслового и пойменного потоков, при первом и третьем их типах, на транспорт наносов в основном русле.

5

2. Изучение некоторых особенностей механизма перемещения донных наносов, в частности, процессов сортировки разнозернистого материала.

3. Совершенствование методов гранулометрического анализа проб наносов.

Для достижения поставленных целей была выполнена серия лабораторных экспериментов в лаборатории водных исследований РГТМУ, проведен большой объем натурных исследований на естественных водотоках по изучению механизма перемещения донных наносов. Выполнен теоретический анализ лабораторных и натурных данных.

Научная новизна. Впервые экспериментальным методом вскрыт механизм воздействия пойменного потока на транспортирующую способность руслового при схождении их динамических осей.

Предложена новая методика обработки проб донных наносов, использующая современные технические средства.

Натурными исследованиями установлено, что различие в гранулометрическом составе наносов наблюдается не только в разных частях русла, но и в различных частях русловых мезоформ.

Вскрыт механизм образования слоистой структуры гряд.

Разработана методика использования кривой гранулометрического состава при обработке проб донных отложений. Данная методика позволяет выделять в русле зоны, где происходит транзитное перемещение наносов и зоны, где наносы аккумулируются и не участвуют в движении. Пробы, отобранные на участках, где происходит аккумуляция наносов, должны быть исключены из расчетов расходов донных наносов.

Практическая значимость. Вскрытие механизма влияния эффекта взаимодействия потоков на транспорт донных наносов

6

позволяет вплотную подойти к разработке методики расчетов расходов донных наносов в русловом потоке при влиянии на него пойменного, что позволит уточнить величину стока наносов в паводочный период.

Предложенная методика обработки проб донных наносов позволяет не только значительно повысить точность при их обработке, но и значительно ускорить данный процесс. Кроме того, данный метод позволяет разделять на фракции пробы значительно меньших диаметров, чем стандартными ситовыми методами.

Учет направленности руслового процесса при определении средних и эффективных диаметров донных наносов позволяет существенно снизить погрешность в определении расходов донных наносов по формулам.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрометрии, итоговых сессиях ученого совета РГГМУ в 2001 - 2004 гг., на восемнадцатом пленарном межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов в Курске в 2003г, на международной научно -теоретической конференции " Гидравлика", посвященной 100 — летаю со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук, профессора P.P. Чугаева в СПбГПУ в 2004г, частично результаты вошли в научные отчеты НИР кафедры гидрометрии.

По теме диссертации имеется 7 публикаций

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения четырех глав, заключения, и приложений. Работа изложена на 147 страницах текста, включает 31 рисунок, 5 таблиц, 16 приложений и библиографический список использованной литературы из 84 наименований.

7

1. Современное состояние проблемы исследования движения донных наносов.

1.1. Образование речных наносов и факторы их обуславливающие

При проектировании объектов водохозяйственного назначения возникают проблемы связанные с расчетом и прогнозом русловых деформаций аллювиальных русел. Несмотря на достигнутые успехи, современные методы расчетов деформации аллювиальных русел еще далеки от совершенства. В частности, в расчетах расходов донных наносов используются осредненные характеристики проб донных отложений. К сожалению, отсутствует методика определения характеристик активного слоя ( слоя наносов участвующего в движении при данном гидрологическом режиме). Недостаточно изучен механизм движения наносов в составе русловых микро и мезо форм.

Речными наносами называют сыпучие минеральные частицы, переносимые потоком и образующие современные отложения в речных руслах.

Сыпучесть речных наносов является характерным отличием их от ранее образовавшихся осадочных отложений, находящихся в какой-то степени в цементированном состоянии.

Речные наносы образуются в результате происходящих в природе процессов выветривания, денудации и эрозии изверженных и осадочных пород и прикрывающих их почв.

Выветривание.

Процессом выветривания называют распад на отдельные куски и более мелкие частицы обнаженных поверхностных слоев коренных пород и почвенных агрегатов под влиянием физико-химических

8

воздействий. В связи с этим различают два вида выветривания: физическое и химическое; причем к физическому выветриванию относится также морозное выветривание.

Физическое выветривание связано с суточными колебаниями температуры воздуха. Нагревание поверхностных слоев коренных пород и почв солнечными лучами днем и охлаждение под влиянием лучеиспускания ночью вызывают соответственное расширение и сжатие. Благодаря неравномерности температуры на поверхности и в толще происходит образование трещин, нарушающих монолитность пород. Возникновению трещин в горных породах способствует наличие в них различных минералов с разными коэффициентами расширения; многим породам свойственны также первичные трещины, связанные с их структурой и тектоническими процессами.

Физическое выветривание усиливается с высотой местности особенно интенсивно оно проявляется в горных условиях, отличающихся резко выраженными суточными изменениями температуры, благодаря прозрачности атмосферы и активности солнечной радиации. Разрушению пород сильно способствует также

морозное выветривание, проявляющееся в том, что в образовавшиеся при физическом выветривании трещины попадает вода, которая при замерзании расширяется и разрывает породу.

К процессам выветривания относятся также механическое разрушение и распыление почвенных агрегатов.

В отличие от физического выветривания, роль химического выветривания усиливается по мере измельчания материала, т. е. с увеличением площади обмываемой водой поверхности, а также с повышением температуры, активизирующей процесс химической реакции. Поэтому химическое выветривание

9

протекает более интенсивно во влажном и теплом климате. Вымывание из пород химически растворимых солей вызывает распад пород на более мелкие части их выщелачивание и разрыхление почв.

Процессы выветривания в сильной степени зависят от литологического состава пород и структуры почв. Изверженные породы благодаря наличию цементирующего вещества, связывающего зерна породы, наиболее устойчивы в отношении выветривания по сравнению с осадочными породами. Например, менее подвержены выветриванию граниты, базальты, диабазы, диориты. Легко подвергаются, химическому выветриванию известняки, мергеля, доломиты; физическое же выветривание в этих породах в основном происходит на крутых склонах. Наоборот, инертны к химическому выветриванию глинистые сланцы, но легко поддаются физическому выветриванию; интенсивно протекает физическое выветривание и в гнейсах благодаря наличию в них плоской слоистости. Сильно подвержены физическому выветриванию песчаники и конгломераты, распадающиеся при этом на крупные глыбы, а затем на слагающие их песок и гальку. В результате распада гранитов образуются кварцевый песок и глина; от разрушения глинистых сланцев — плитки, щебенка и илы; от разрушения известняков, мергелей и доломитов — мелкий обломочный материал.

Денудация.

Процессом денудации называют перемещение продуктов выветривания от места их образования вниз по склону; при этом движущей силой является сила тяжести. Отсюда следует, что интенсивность процессов денудации увеличивается с крутизной откосов и уменьшением сопротивления движению масс. Максимальный угол откоса, при котором рыхлый обломочный

10

материал может удержаться на склоне, изменяется от 25 до 50 °, а в увлажненном состоянии от 15 до 35 °.

В зависимости от структуры образовавшегося при выветривании материала, его влажности и характера движения различают следующие виды денудации: обвалы, осыпи, оползни, оплывины и покровное сползание.

Обвалы представляют собой обрушение на крутых склонах коренных пород и грунта, как правило, сопровождающееся их опрокидыванием. Обвалы образуются в результате выветривания и подмыва склонов гор, берегов рек и бровок оврагов.

Осыпи характеризуются перемещением по склону масс грунта, состоящего из отдельных, несвязанных между собой обломков породы. Осыпание рыхлого материала характерно для крутых скалистых склонов и приурочено к отдельным, наиболее пониженным местам, образующим так называемые тальвеги осыпей.

Оползни, в отличие от осыпей, представляют собой сплошную массу делювия, перемещающуюся скольжением по поверхности подстилающей делювий коренной породы. Уменьшению трения перемещающейся массы способствуют просачивающиеся атмосферные осадки, которые увеличивают также вес массы делювия.

Оплывины образуются при наличии насыщенного водой делювия, обычно в нижней части оползня. Лежащий по склону делювий пропитывается водой и, будучи не в состоянии задержать оползень, сам вовлекается в движение в виде густой грязи с тем или иным содержанием каменистого материала.

Покровное скольжение представляет собой медленное перемещение по склону толщ делювия под влиянием оттаивания слагающих его масс.

11

Передвижение продуктов выветривания горных пород по склонам может происходить под воздействием снежных лавин и нередко в результате землетрясений, сопровождающихся большими осыпями, обвалами, оползнями и оплывинами.

В период интенсивного снеготаяния наблюдается также сползание по замерзшему грунту склонов оттаявших поверхностных слоев почвы.

В горной местности при большой крутизне склонов процессы денудации протекают исключительно интенсивно и продукты разрушения горных пород, не задерживаясь на склонах, обычно отлагаются у их подножья, на дне долин и в руслах рек, представляя собой готовый материал для формирования речных наносов. Аналогичные явления денудации протекают одновременно с эрозией при размывах и обрушении отвесных склонов оврагов и берегов рек.

Эрозия.

Процессом эрозии называют разрушающее действие ветра и воды на почву и подстилающие ее породы и перенос продуктов выдувания и размыва с одного места на другое.

Процесс отложений принесенного ветром или водой материала называют аккумуляцией. В зависимости от действующего фактора эрозия делится на ветровую (дефляцию) и водную.

Ветровая эрозия, или дефляция, проявляется в выдувании с поверхности почв мелкозема и переносе его с более подверженных воздействию ветра площадей в более пониженные, защищенные от ветра участки. Ветровая эрозия имеет широкое распространение и приносит огромный ущерб сельскому хозяйству в степных засушливых и полузасушливых районах Казахстана, Средней Азии, на юго-востоке Европейской территории России и в Западной Сибири. В районах, подверженных суховеям и сильным ветрам,

12

при наличии песчаных и супесчаных почв ветровая эрозия принимает угрожающие размеры, вызывая так называемые «черные бури» и «пыльные метели», сносящие поверхностные слои почв, после чего на поверхности земли остаются замощенные гравелисто-галечными наносами огромные пространства. В пустынных степях Средней Азии и Казахстана ветры перевевают песчаные барханы и вместе с восходящими течениями нагретых приземных слоев воздуха в верхние слои атмосферы уносят мельчайшие частицы пыли, образующие «сухую мглу», которая застилает небосклон на необъятных, выжженных солнцем пространствах. Насыщенные пылью воздушные массы, встречая на своем пути горные преграды, охлаждаются. Находящийся в воздухе водяной пар конденсируется и в виде осадков вместе с пылью выпадает на склонах гор, откуда пыль с поверхностным стоком воды попадает в реки. Обогащение рек эоловыми песками происходит также от подступающих к берегам рек барханов.

Водная эрозия представляет собой наиболее активный фактор, обогащающий реки наносами. Она подразделяется на склоновую и русловую эрозию. В свою очередь, склоновая эрозия проявляется в виде поверхностного (мелкоструйного) размыва и глубинного (линейного) размыва. Выпадающие на склоны в виде дождя атмосферные осадки или вода, образующаяся от таяния снега, прежде всего заполняют углубления в почве, образуют лужицы и формируют сеть мельчайших струек. Эти струйки под влиянием случайного сочетания микрорельефа и различного сопротивления размыву почвы, обтекая препятствия, разветвляются или, наоборот, объединяются и становятся более крупными.

13

При делении склоновой эрозии на поверхностную (мелкоструйную) и глубинную (линейную) принимается следующий условный критерий. Если изолированные струи воды производят в почве вымоины, сохраняющиеся при последующей обработке (вспашке) почвы, то размыв называют глубинным. Если вымоины в почве заравниваются при последующей ее обработке, то размыв будет поверхностный.

При интенсивных осадках на малоустойчивых и незащищенных растительным покровом почвах и при значительных уклонах местности склоновый сток формируется в виде отдельных крупных струй, мощность которых увеличивается по мере удаления от водораздела. При увеличении мощности отдельных струй происходит дальнейшее врезание их в грунт и образование рытвин или промоин, являющихся переходной стадией к овражной эрозии. Возникновению промоин сильно способствуют также дорожные кюветы, межевые канавы, тропы прогона скота, вспашка полей вдоль склонов и пр.

1.2. Движение речных наносов

Речные наносы в зависимости от характера движения в речном потоке делятся на взвешенные и донные, или влекомые. Однако такое деление по существу можно считать условным, поскольку все передвигаемые потоком наносы в отдельные моменты времени в зависимости от крупности частиц и скорости потока или находятся во взвешенном состоянии или, сальтируясь, перекатываются по дну. Перекатывающиеся и подпрыгивающие со дна крупные частицы могут достигать значительной высоты

(по терминологии В. Н. Гончарова [1] «потолка взвешивания»), после чего снова падают на дно, а более мелкие частицы,

14

подхваченные со дна течением, переносятся во взвешенном состоянии на значительные расстояния. Концентрация крупных частиц увеличивается от поверхности ко дну, тогда как мелкие частицы распределены по глубине потока более равномерно. В отдельных случаях насыщенность потока наносами вблизи дна достигает такой величины, при которой движение наносов представляет подобие движения разжиженной массы грунта, сползающей со склонов во время интенсивных ливней, или в метель снега по поверхности сугробов.

Анализ гранулометрического состава наносов в реках дает возможность установить физически более обоснованное их деление на взвешенные и донные [1,2].

Более мелкие частицы наносов, в основной своей массе проносятся рекой транзитом к устью, тогда как движение крупных частиц в зависимости от гидравлических условий потока происходит периодически, от одного участка реки к другому, где они задерживаются иногда на длительный период времени, после чего при изменившихся гидравлических условиях потока опять приходят в движение. При интенсивном движении донных наносов образуются как местные размывы русла, так и отложения в виде побочней, перекатов, осередков и пр. В переформировании русла участвуют и более мелкие частицы наносов, отлагаясь в застойных зонах, в пределах устьевых участков, в верхних бьефах плотин и пр. К руслоформирующим наносам в зависимости от физико-географических условий бассейна и характера речного потока могут быть отнесены частицы диаметром более 0.05-—0.10 мм. Соответственно к транзитным могут быть отнесены частицы диаметром менее 0.05—0.10 мм.

15

Сток наносов характеризуется средним расходом наносов за месяц, год или ряд лет; в последнем случае расход называется средним многолетним.

В отдельных случаях сток наносов относят к единице площади бассейна, а полученный результат, по аналогии со стоком воды, называют модулем стока наносов, который выражают в тоннах с 1 км2.

Количество наносов, содержащихся в единице объема воды, называется мутностью воды. Этот термин обычно применяется в гидрометрии, хотя по существу понятие «мутность» характеризует оптические свойства воды, т. е. степень ее прозрачности, меняющейся не только от содержащихся в ней минеральных частиц, но и от гумусовых и прочих растворенных соединений.

Характер передвижения донных наносов зависит от крупности частиц, их залегания на дне и гидравлических условий речного потока.

Лабораторными и полевыми наблюдениями установлено, что находящиеся на дне потока наносы начинают передвигаться после того, как воздействующие на них скорости потока достигают такой величины, при которой частицы теряют свое устойчивое положение на дне и срываются с места.

Естественно, что сначала передвигаются те частицы, которые выступают над поверхностью дна и таким образом в большей степени подвергаются непосредственному воздействию потока. Характер сдвига со дна частиц особенно наглядно наблюдается на примере галечных наносов.

Лежащие на дне частички наносов, в данном случае гальки, в значительной своей массе находятся в какой-то степени перекрытыми соседними гальками или занесены промежуточным, более мелким материалом (песком).

16

В связи с тем, что с увеличением скорости потока происходит смыв со дна вначале более мелких наносов, крупные частицы постепенно обнажаются и подвергаются воздействию обтекающего их потока. Образующиеся при этом завихривания потока способствуют дальнейшему выносу мелких частиц и возникновению подъемных сил, облегчающих сдвиг галек.

Перед началом движения гальки начинают вибрировать, вращаться на месте, а затем, становясь как бы невесомыми, внезапно срываются и, скользя и подпрыгивая, продолжают свое движение, пока не застрянут между другими гальками или пока скорости потока будут недостаточными для их дальнейшего передвижения. В результате того, что с увеличением скорости потока происходит смыв со дна вначале более мелких наносов, а затем более крупных, русло реки углубляется и оказывается постепенно замощенным оставшимися на месте более крупными частицами. Подобное явление наблюдается после прохождения паводков в руслах,. сложенных из песчано-галечных наносов и называется отмосткой.

При массовом движении донных наносов русловые отложения становятся менее связными, рыхлыми и более подверженными размыву.

В этом случае движение крупных частиц переходит в скачкообразное с продолжительным отрывом от дна, а песчаные наносы переносятся сплошным слоем вблизи дна и достигают значительной высоты взвешивания.

Характерным для передвижения песчаных наносов является формирование их, в виде гряд, образующих рельеф речного русла.

Механизм образования песчаных гряд до настоящего времени раскрыт еще не полностью, несмотря на большое количество

17

проведенных в этой области наблюдений. Образование волнообразных поверхностей наблюдается на разделе двух сред, движущихся с различными скоростями, как например воздуха и песчаных барханов в степях и воды и гряд на поверхности речного русла. Причины образования бархан и гряд можно объяснить воздействием на поверхность подвижных песков периодических пульсаций, свойственных движению турбулентных воздушных и водных масс.

Лабораторные наблюдения за грядами, проведенные различными исследователями, указывают на то, что зарождение гряд является следствием периодической пульсации скорости потока вдоль лотка, благодаря которой происходит уменьшение донных скоростей в одном месте и увеличение в другом. Образующийся на гребне гряды срыв струй потока сопровождается ополаживанием поверхности гряды и появлением в подвалье гряды водяных вальцов с горизонтальной осью вращения, которые, как показали наблюдения, занимают примерно 15 % длины взбега последующей гряды.

Струи потока, перекрывая область вальца, соприкасаются с поверхностью взбега последующей гряды и благодаря увеличению скорости по мере приближения к гребню гряды смывают с ее поверхности частицы наносов.

Смытые частицы, не задерживаясь на гребне гряды, скатываются по крутому откосу подвалья и поддерживаются на откосе обратным донным течением вальца. В результате происходит медленное поступательное передвижение гряд в целом. Скорость передвижения гряды зависит от скорости потока или от количества смытых частиц песка с ее поверхности. Помимо этого, на скорость перемещения гряд влияет их размер, т. е. чем больше гряда, тем медленнее ее поступательное движение.

Список литературы