ДВИЖЕНИЕ НАНОСОВ В РЕКАХ И КАНАЛАХ

Виды продуктов водной эрозии и гидравлическая крупность. Русловые потоки почти всегда содержат и перемещают то или иное количество твердых частиц и растворенных в воде органических и неорганических веществ, которые появляются в потоке в результате смыва почв и грунтов с поверхности бассейна, размыва русла и берегов самого водотока. Все эти продукты водной эрозии принято подразделять иа следующие категорий: взвешенные наносы, донные (влекомые) наносы и растворенные вещества.

Взвешенные наносы и растворенные вещества перемещаются по току вместе с окружающими их водными массами, а донные наносы вовлекаются в движение периодически и перемещаются по дну и в придонном слое потока путем перекатывания или скачкообразно.

Общая направленность руслового процесса на том или ином участке потока зависит от степени насыщения его наносами. В случае пересыщения потока происходит выпадение наносов и заиление русла, а в случае недостаточного насыщения, наоборот, поток взвешивает с поверхности русла частицы наносов и раамывает русло. Такой характер периодического взвешивания и осаждения частиц наносов является основной причиной, определяющей характер деформаций русла водных потоков.

Годовой сток наносов и растворенных веществ достигает огромных размеров. По подсчетам В. Лопатина, с территории СССР ежегодно уносится: взвешенных наносов 472,3 млн. т, влекомых наносов 47,2, растворенных веществ 326,8 и всего 846,3 млн. т.

Одной из основных характеристик состава наносов является гидравлическая крупность — скорость равномерного нестесненного падения зерен в стоячей воде.

В общем случае гидравлическая крупность зависит от удельного веса частицы, ее объема и формы, от вязкости жидкой среды (воды), мутности и степени турбулентности самого потока.

Изучением гидравлической крупности наносов занимались многие советские и зарубежные ученые. В настоящее время для определения гидравлической крупности принято пользоваться шкалой проф. В. Н. Гончарова, составленной им на основании обобщения большого количества опытных данных. Средний удельный вес большинства речных наносов принимается равным 2,65 т/м³.

Взвешенные наносы и транспортирующая способность потока. Явление взвешивания и перемещения русловым потоком наносов с удельным весом, примерно в 2,6 раза большим удельного веса воды, давно привлекало внимание ученых.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований показали, что взвешенное состояние наносов обусловлено турбулентным перемешиванием воды в потоке и образованием вихрей и водоворотов. Выбрасывание вихрями отдельных масс жидкости в толщу потока, образование водоворотов, наличие поперечных течений, пульсация скоростей и другие явления служат основными причинами проникновения частиц наносов в толщу турбулентного потока, взвешивания и их перемещения.

Частица наносов будет подниматься вверх в том случае, если она находится в объеме воды, перемещающемся вверх со взвешивающей скоростью, большей, чем гидравлическая крупность, а в противном случае произойдет осаждение частиц наносов указанной крупности.

В русловых потоках основная масса наносов переносится во взвешенном состоянии и составляет в равнинных реках 85—95% и в горных реках 75—85% общего количества наносов.

Степень насыщения водного потока взвешенными наносами принято характеризовать мутностью, определяемой весовым или объемным количеством наносов, содержащихся в единице объема воды. Ориентировочное количество взвешенных наносов, переносимых рекой, можно определить по формуле Г. В. Лопатина, связывающей общую мутность потока с его гидравлическими элементами.

В отношении взвешенных наносов большой практический интерес представляет так называемая транспортирующая способность потока, то есть та наибольшая или предельная мутность, которую поток может иметь при данных гидравлических условиях.

Транспортирующая способность потока зависит не только от гидравлических характеристик потока, но и от количества, состава, размеров, формы частиц и других свойств, наносов. Учет всех этих факторов представляет значительные трудности, чем и объясняется наличие большого числа формул, предложенных для определения транспортирующей способности потока.

Для определения транспортирующей способности потока известны формулы Е. А. Замарина, А. Н. Гостунского, А. Г. Хачатряна, В. А. Шаумяна, С. X. Абальянца, В. В. Пославского, Г. С. Чекулаева, В. Н. Гончарова, К. Г. Липатова, О. Г. Хорста, П. В. Михеева и др.

Большинство формул транспортирующей способности потока получено в основном для условий оросительных каналов. Поэтому при решении вопросов регулирования русел, то есть для потоков сравнительно больших размеров, содержащих наносы весьма разнородных крупностей, эти формулы следует использовать с большой осторожностью.

Наиболее универсальна формула проф. А. Г. Хачатряна.

Знание фактической мутности потока и его транспортирующей способности на рассматриваемом участке позволяет выяснить возможный характер русловых процессов. Если фактическая мутность потока больше транспортирующей способности, то избыточное количество наносов выпадает (заиление). Если же русло состоит из наносов, которые могут быть взвешены потоком, то происходит размыв.

Донные наносы и их основные характеристики. По механическому составу донные (влекомые) наносы состоят из средних и крупных песков, гравия, гальки и камней. Состав наносов и характер передвижения их зависят от гидравлических условий руслового потока. В количественном отношении донные наносы составляют примерно 25—25% общего количества, однако в формировании русла они играют основную роль.

При значительных скоростях течения и массовом взвешивании наносов эпюра распределения мутности по глубине имеет обычный вид. При резком уменьшении или прекращении поступления донных наносов с вышележащих участков происходит некоторое перераспределение скоростей по глубине в сторону увеличения придонных скоростей, что является одной из причин увеличения размывающей способности осветленного руслового потока.

Начало движения донных наносов. В инженерной практике по регулированию русел для выяснения возможного характера русловых процессов важное значение имеет определение предельной (критической) скорости потока, которая характеризует кризисное условие устойчивости зерен на дне.

Предельная скорость может быть определена по формуле М. А. Великанова, Г. И. Шамова, В. Н. Гончарова, И. И. Леви, В. С. Кнороза и др.

Зная крупность наносов в русле и глубину потока, можно иметь представление о скорости потока, при которой эти наносы отложились и при которой они снова могут прийти в движение, и, наоборот, зная соответствующие предельные скорости, можно судить о крупности передвигающихся в потоке накосов.

Расход донных наносов. Для учета расхода донных наносов предложено много эмпирических формул, полученных в результате обработки натурных данных.

Волков И. М., Кононенко П. Ф., Федичкин И. К., Гидротехнические сооружения, М., Колос, 1968