' ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ СЛУЖБЫ

П Р И СОВЕТЕ МИНИСТРОВ СССР

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

Г И Д Р О Л О Г И Ч Е С К И Й ИНСТИТУТ

А. В. Караушев

Теория и методы

расчета речных

наносов

Гидрометеоиздат Ленинград • 1977 Ь: Г> Ж.• УДК 556.535.6(556.011) К,. •r'-fr В м о н о г р а ф и и р а с с м а т р и в а ю т с я о б щ и е в о п р о с ы у ч е н и я о речных наносах, которое трактуется как комплексная проблема, включающая теорию и методы расчета транспорта наносов, метод и к у их н а т у р н о г о и с с л е д о в а н и я, и з у ч е н и е п р о ц е с с о в ф о р м и р о - вания географического распределения стока наносов. Основное внимание в настоящей книге уделяется теоретическим вопросам и методам расчета. И з л а г а ю т с я теоретические модели д в и ж е н и я взвешенных и влекомых наносов, методы расчета транспортирующей способности потока; расходов взвешенных и влекомых наносов. Р а с с м а т р и в а ю т с я т е о р е т и ч е с к и е м о д е л и и м е т о д ы р а с ч е т а д в и ж е н и я наносов в водохранилищах и нижних бьефах, способы расчета заиления в о д о х р а н и л и щ и прудов. Уделено внимание теории и методике расчета вдольберегового перемещения наносов в волноприбойной зоне озер и водохранилищ.

Книга предназначена д л я гидрологов, инженеров-гидротехник о в и м е л и о р а т о р о в, о н а м о ж е т и с п о л ь з о в а т ь с я в к а ч е с т в е учеб- н о г о п о с о б и я д л я с т у д е н т о в и а с п и р а н т о в у к а з а н н ы х в ы ш е спе- циальностей.

20806- К 48-77 © Государственный гидрологический институт (ГГИ), 069(02)-

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учение о речных наносах является одним из наиболее слож> ных разделов гидрологии; оно включает гидродинамическую теорию транспорта и переотложения наносов, теорию процессов формирования стока наносов и географического распределения его характеристик, обоснование методов расчета и методов:натурных исследований.

Весь этот комплекс проблем в течение последних 15—20 лет был представлен в тематике лаборатории наносов Государственного гидрологического института, руководимой автором настоящей монографии, Р е з у л ь т а т ы исследований нашли отражение в тематических выпусках трудов ГГИ, с о д е р ж а щ и х работы сотрудников лаборатории, а т а к ж е аспирантов и некоторых ученых других учреждений, сотрудничавших с лабораторией.. Всего с 1960 г. вышло в свет 10 тематических выпусков трудов Г Г И (вып. 86, 100, 111, 124, 132, 141, 156, 175, 191, 210) общим объемом около 130 печатных листов, с о д е р ж а щ и х 105 статей, в которых излагаются к а к результаты теоретических исследований и обобщений по теории наносов, т а к и рекомендации по методам инженерных расчетов и способам натурных (в особенности сетевых) измерений параметров стока наносов.

П р е д л а г а е м ы е методы расчета и измерений публиковались т а к ж е и в указаниях, руководствах и наставлениях гидрометеорологическим станциям и постам. Всего за период с 1960 г.

было 18 таких публикаций, из них семь полностью посвящено проблеме наносов. Особо надо отметить межведомственные нормативные документы по вычислению стока наносов и расчету :

заиления водохранилищ. *'.

Б о л ь ш о е место в работе лаборатории занимает сотрудничество с другими научными учреждениями в н^шей стране и за рубежом, участие во многих конгрессах, совещаниях и сомпозиумах, в том числе международных. Сотрудники лаборатории опубликовали много докладов по проблеме наносов в русских и иностранных изданиях.

Все р а з р а б о т к и лаборатории велись на основе единой научной концепции, поэтому результаты отдельных р а з р а б о т о к являются частями единого целого. Естественно, что возникла з а д а ч а систематизировать разработки и на этой основе д а т ь достаточно многоплановое изложение учения о речных наносах.

Т а к а я систематизация д о л ж н а иметь не только научное, но и практическое значение, т а к к а к облегчает использование 12* различных рекомендаций по методам расчета и изучения наносов. Заметим, что широко известные монографии по проблеме наносов не охватывают всех основных аспектов учения о наносах. Со времени выхода в свет этих монографий прошло много лет, и в них, естественно, не отражены новые достижения науки.

В основу настоящей книги положены в первую очередь результаты исследований лаборатории наносов ГГИ, выполненных в последние два десятилетия, и р я д наиболее крупных работ отечественных и з а р у б е ж н ы х ученых в области теории наносов и некоторых смежных дисциплин. В то ж е время не имелось в виду придавать книге энциклопедический характер; в ней не представилось возможным отразить все многочисленные работы по проблеме наносов, опубликованные за последние годы у нас и за рубежом.

Основное внимание в книге уделено гидродинамическому аспекту проблемы — изложению теории транспорта наносов и методов расчета, относящихся к разнообразным случаям движения наносов в русловых потоках и водохранилищах. Географическому аспекту этой проблемы и методам изучения наносов будет посвящена специальная монография.

В подготовке монографии принимали участие сотрудники лаборатории, составившие полностью или в соавторстве р я д ее разделов: И. В. Боголюбова (в соавторстве п. 4.2), Н. С. Знаменская (в соавторстве п. 2.4), Н. М. Капитонов (в соавторстве п. 4.1; 5.3), К- В. Разумихина (п. 3.4, в соавторстве п. 3.3; 4.3;

5.3), В. В. Романовский (п. 2.1, в соавторстве п. 2.4), А. Я. Ш в а р ц м а н (п. 7.1; 7.2, в соавторстве п. 7.3).

Монографию р е д а к т и р о в а л а канд. геогр. наук И. В. Боголюбова. В подготовке рукописи к печати участвовали сотрудники л а б о р а т о р и и 3. Г. Воробьева, JT. И. Фаустова, Г. М. Иванова и др.

Рецензирование рукописи выполнено д-ром техн. наук И. Ф. Карасевым, ценные замечания которого учтены при доработке монографии. •

1. ВВЕДЕНИЕ В УЧЕНИЕ О РЕЧНЫХ НАНОСАХ

Задачей настоящей книги является систематизация основных сведений о речных наносах и способах расчета их движения. Такая систематизация с учетом основных результатов, полученных за последние годы, позволяет трактовать отдельные вопросы проблемы как части единого целого, более глубоко и полно раскрывать ее сущность. Все это будет способствовать внедрению полученных результатов в практику инженерных расчетов.

Прежде чем перейти к изложению основного материала остановимся на определении некоторых терминов, широко используемых в учении о речных наносах.

Н а н о с а м и называют твердые частицы — продукты разрушения горных пород, почв, органических остатков, переносимые водотоками, течениями в озерах и морях, механически перерабатываемые или сортируемые и частично откладываемые по путям стока и выносимые в области малоподвижной воды, где они оседают. В зависимости от способа транспортирования наносы подразделяют на в з в е ш е н н ы е н а н о с ы, переносимые течениями во взвешенном состоянии, и в л е к о м ы е наносы, перемещающиеся в придонном слое потока путем перекатывания, скольжения и сальтации. При изменении скорости течения, глубины и других гидравлических элементов потока меняются условия движения наносов. Частицы, переносившиеся потоком во взвешенном состоянии, могут стать влекомыми наносами, а влекомые — перестать двигаться или перейти во взвешенное состояние; неподвижные ж е частицы — прийти в движение.

Наносы, формирующие русла рек и ручьев, их поймы, дно озер и водохранилищ, называют д о н н ы м и о т л о ж е н и я м и, или, иначе, д о н н ы м и н а н о с а м и, подразделяемыми соответственно на р у с л о в ы е, п о й м е н н ы е и о з е р н ы е о т л о ж е н и я - н а н о с ы. Поверхностный слой русловых, пойменных и озерных отложений, находящихся в активном взаимодействии с потоком, н а з ы в а ю т а к т и в н ы м с л о е м р у с л а.

Русловые и пойменные отложения, составляющие в совокупности речные отложения, называют также р е ч н ы м а л л ю в и е м.

Количество наносов, проносимое через живое сечение реки в единицу времени, называют р а с х о д о м н а н о с о в ; до сих пор его было принято выражать в весовых единицах в секунду.

В настоящей книге применяется международная система единиц СИ, в "основе которой л е ж а т единицы массы, длины и времени.

Соответственно расход наносов будет в ы р а ж а т ь с я единицами массы в секунду (кг/с). Частное от деления расхода взвешенных наносов на расход воды дает среднюю расходную мутность потока, которая в ы р а ж а е т с я в единицах массы, отнесенной к объему смеси воды с наносами. Обычно эту величину называют просто мутностью потока.

Суммарное количество наносов, переносимое рекой через какой-либо створ (суммарный транспорт наносов) за год, именуют г о д о в ы м с т о к о м н а н о с о в через данный створ. Соответственно можно р а з л и ч а т ь сток взвешенных и сток влекомых наносов. Сток наносов может исчисляться за р я д лет, за сезоньг, месяцы и т. д. При отнесении стока наносов к площади водосбора, 'замыкаемого створом, в котором ведется измерение, получаем Д л я оценки мутности водных масс к а к одной из характеристик качества воды применяется иной показатель мутности, а именно с р е д н я я с у б с т а н ц и а л ь н а я, м у т н о с т ь, находимая путем осреднения мутности по живому сечению потока •без учета скорости течения. Размерность субстанциальной мутности, та же, что и средней расходной. Численно эти величины •в ряде случаев т а к ж е близки.

Внесистемные единицы, применяемые в технике и в гидролог гии, используются в настоящей книге весьма редко, только при цитировании прежних изданий и притом только тогда, когда по тем или иным соображениям представляется нецелесообразным переводить рассматриваемые величины или формулы в новую Обобщения по теории речных наносов и методике их расчета д е л а л и с ь и ранее. В этой связи следует отметить известные монографии Г. В. Лопатина [93] и Г. И. Ш а м о в а [170], изданные соответственно в 1952 и 1959'гг. П е р в а я из этих книг имеет в основном географический аспект; главное внимание в ней уделено природным процессам, обусловливающим сток наносов. Вторая книга отличается большей практической направленностью и, помимо географических обобщений, содержит р я д инженерных методов расчета. Со времени • написания этих книг значительно развилась сеть гидрологических наблюдений, удлинились гидрологические ряды; получено много.новых материалов, характеризующих режим и распределение по территории параметров стока наносов. Существенное развитие получили теория и методы расчета транспорта наносов, заиления водохранилищ,,способы оценки русловых деформаций; создана теория и методика расчета береговых процессов в водохранилищах, р а з р а б о т а н ы новые методы полевого и лабораторного изучения наносов и мноroe другое. Все это выдвигает задачу новой систематизации материала. Отличительной особенностью направления, развиваемого в ГГИ, является его комплексность и доведение теоретических, как гидродинамических, так и физико-географических, разработок до практических методов расчета. В соответствии с этим в настоящей монографии не могли найти достаточно полного освещения те теории и схемы, которые не доведены до практических способов расчета.

По всем рассматриваемым в настоящей книге проблемам даются рекомендации по способам практических расчетов. Эти рекомендации основаны на теоретическом анализе процессов и обобщениях большого натурного материала. Некоторые из этих методов расчета в настоящее время приняты в качестве межведомственных стандартных способов инженерных расчетов (расчеты стока наносов, заиления водохранилищ, транспортирующей способности потоков и т. д.). Другие методы, не являющиеся официально принятыми, тем не менее находят широкое применение в инженерной практике. В монографии приводятся также методы, еще не имеющие широкого распространения и в ряде случаев нуждающиеся в дополнительном натурном или экспериментальном обосновании.

Практическая значимость проблемы речных наносов очень велика. Сведения о них являются одной из важнейших характеристик гидрологического режима рек и склонов их бассейнов.

Количество транспортируемых рекой наносов и их режим во многом определяют процессы формирования речного русла, заносимость судоходных каналов на реках, режим перекатов и многое другое. Искусственное воздействие на режим речного потока, затрагивающее транспорт наносов, нередко вызывает коренные изменения речного русла и может привести к непредвиденным последствиям." Поэтому любое проектирование гидротехнических сооружений на реках требует учета режима транспорта наносов и учета влияния возводимых сооружений на условия движения твердого материала. Большое практическое значение имеет вопрос о заилении водохранилищ и прудов, определяющем во многих случаях не только продолжительность существования водоема, его эффективность, но и условия его эксплуатации. В настоящее время сток наносов, его внутригодовая и многолетняя изменчивость, крупность наносов являются теми необходимыми исходными данными, которые наряду со сведениями о режиме стока воды используются при проектировании больших и малых водохранилищ. Аналогичные данные применяются и при сооружении отстойников и ирригационных систем.

Сток наносов со склонов является интегральным показателем склоновой эрозии, поэтому данные о наносах необходимы при оценке эрозионных процессов и разработке противоэрозионных мероприятий.

При проектировании питьевого, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения (в том числе и орошения) существенное внимание уделяется мутности водных масс, т. е. содержанию в них взвешенных наносов. При превышении соответствующих норм содержания взвешенных веществ в воде проектируются специальные очистные сооружения. Д л я этих проектов необходимы детальные сведения о наносах.

Наносы в р я д е случаев являются полезным сырьем д л я промышленности, применяются к а к строительный материал. В донных отложениях рек (в речном аллювии) могут содержаться ценные минералы: алмазы, золото, металлы платиновой группы и т. д. П р и этом следует иметь в виду два аспекта: первый, когда содержание ценных примесей достаточно велико и аллювий может рассматриваться к а к россыпи, идущие на промышленную разработку; в другом ж е случае присутствие в аллювии ценных минералов или сопутствующих им пород позволяет, следуя по путям стока, обнаружить коренные месторождения минералов.

Во всех случаях р а з р а б о т к и современных аллювиальных отложений рек д о л ж н о быть обращено внимание на последствия изъятия материала и на интенсивность его восполнения стоком наносов. Л ю б ы е нарушения естественного руслового режима, ведущие к «разбалансированию» системы транспорт наносов—русло, вызывают цепную реакцию. Последствия этой реакции долж н ы быть з а р а н е е учтены и предусмотрены меры, направленные на предотвращение отрицательных явлений.

1.2. Содержание учения о речных наносах.

Первые серьезные работы по изучению речных наносов относятся к концу XIX и началу XX столетий и связаны с развитием речного судоходства, ирригации, гидротехнического строительства. Н а ч а л о формирования учения о наносах следует отнести к 20-м годам нашего столетия, т. е. к периоду выделения гидрологии в самостоятельную научную дисциплину.

Учение о речных наносах включает следующие три основных р а з д е л а : 1) теория транспорта наносов, 2) йетоДы измерения стока наносов, 3) изучение процессов формирования стока наносов и географического распределения его параметров.

Теория транспорта наносов включает динамические теории взвешивания и влечения, в том числе теорию донно-грядового перемещения наносов, теорию взаимодействия потока и русла, теорию волнового взмучивания и движения наносов на береговых отмелях, методы расчета транспорта наносов в реках, на береговых отмелях, в водохранилищах, методы расчета заиления водохранилищ и прудов и т. п.

Во втором разделе учения рассматриваются методы полевых сетевых и специальных измерений стока наносов и гранулометрического состава наносов, методы лабораторной обработки проб, а также методы камеральной обработки и способы выражения полученных результатов.

Третья часть учения включает обобщения по режиму стока речных наносов и его изменчивости, по географическому распределению таких величин, как мутность, модуль стока наносов, эрозионные коэффициенты и т. д. Рассматриваются вопросы о распределении гранулометрического состава наносов, о процессах формирования стока наносов на склонах (склоновая эрозия), на водосборах больших и малых рек, в горных странах (в частности, селевые потоки). Важнейшим разделом третьей части учения является методика расчёта стока наносов, предусматривающая получение основных его параметров и характеристик их изменчивости.

В настоящей книге, как указывалось, излагается первая часть учения о речных наносах, при этом имеется в виду в дальнейшем систематизировать материалы по второй и третьей частям учения о наносах и подготовить специальную монографию, имеющую методический и географический аспект.

Теоретические и лабораторные исследования движения наносов с самого начала велись в двух направлениях: изучение донного влечения наносов и изучение взвешивания частиц и их переноса. Первые работы по исследованию донного влечения выполнены за рубежом в середине XVIII — начале XIX столетий.

Исследования А. Брамса в 1753 г., а затем В. Эри были посвящены выяснению условий равновесия и сдвига тяжелый частицы, находящейся на дне потока; Р. Дюбуа в 1879 г. исследовал силу влечения. Первые работы по изучению процессов взвешивания заключались в анализе условий свободного падения частиц в воде (т. е. их гидравлической крупности); здесь следует отметить исследования Д. Стокса (1851 г.), Г. Аллена (1900 г.). Начальные положения теории взвешивания твердых частиц в жидкости рассмотрены в 1911 г. В. В. Глушковым [23], а физически, обоснованные модели взвешивания даны в работах В. Шмидта [215] в 1917—1925 гг. и в более законченном виде в работах В. М. Маккавеева [95] в 1931 г. и в последующие годы, а также другими учеными, упоминаемыми ниже.

Остановимся кратко на теоретических работах по изучению транспорта наносов в водных потоках. Основные вопросы, рассматриваемые в теории транспорта наносов водными потоками, следующие: 1) изучение условий воздействия потока на частицу и ее обтекания жидкостью (равновесие частицы на дне, начальная скорость ее сдвига, гидравлическая крупность); 2) исследование перемещения частиц по дну потока, скорости их транспортирования, изучение расхода наносов, связи транспорта наносов с донным рельефом и его формированием; 3) исследование процессов взвешивания твердых частиц турбулентным потоком и их транспорта во взвешенном состоянии.

Все динамические модели влечения и взвешивания, наносов требуют знания закономерностей обтекания потоком частиц, поэтому одной из в а ж н ы х составных частей теории транспорта наносов. являются те. разработки, которые отнесены нами выше к первой группе вопросов. И з прежних работ в этой области заметный след оставили упомянутые выше работы В. Эри и Д. Стокса; формула последнего до настоящего времени широко:используется..Важную роль в развитии этого р а з д е л а теории транспорта наносов сыграли работы А. Хазена, Р. Р и ч а р д с а (1908 г.) и особенно отечественных ученых Б. В. Архангельского [6], В. Н, Гончарова [25] и В. В. Романовского [141].

Переходя ко второй группе вопросов, отметим, что после исследований А. Шоклича [216], Г. Энгельса и других ученых проблеме донного влечения стало уделяться чрезвычайно большое внимание, причем появилось очень много публикаций. Существенный в к л а д в теорию донного влечения наносов и формит рования руслового рельефа (гряд и дюн) внесен Ф. Экснером [194], Н. Крамером, В. Н. Гончаровым [25], М. А. Великановым [18], В.. Ф. П у ш к а р е в ы м [63], И. В. Егиазаровым [39], Г. В. Лопатиным [93], Д ж. Кеннеди [204], Н. А., Михайловой [113], К. И. Российским [144], Н. С. Знаменской [46]. Что касается методики расчета транспорта влекомых наносов, то здесь в первую очередь надо отметить вклад, внесенный В. Н. Гончаровым [25], Е, Мейер-Петером и Ф. Мюллером [208], X. Эйнштейном [191], -Г. И. Ш а м о в ы м [169], И. В. Егиазаровым [40], Г. В. Лопатиным [93]..

Р а с с м а т р и в а я третью группу вопросов, касающихся взвешивания и переноса взвешенных наносов турбулентным потоком, напомним, что теоретические работы в этом направлении в России были начаты в 1911 г. В. Г. Глушковым [23], сыгравшим определенную роль в р а з р а б о т к е модели взвесенесущего потока.

Глушков показал, что поддержание т я ж е л ы х частиц в движущейся жидкости происходит за счет вертикальной компоненты пульсационной скорости. Это положение, по существу, является одним из отправных пунктов современной теории взвешивания и транспорта наносов. Основы теории были р а з р а б о т а н ы в 1915—1925 гг. Д ж. Тейлором [228] и В. Шмидтом [215]. В последние годы в литературе у к а з а н н а я теория получила наименование диффузионной теории взвешивания наносов, или полуэмпирической теории. Н а и б о л е е полное развитие она получила в 1930—1960 гг. в трудах В. М. М а к к а в е е в а [95, 96, 98, 101], который рассмотрел пространственную з а д а ч у о турбулентности русловых потоков и составил отвечающие этой з а д а ч е общие дифференциальные уравнения турбулентного движения, турбулентной теплопроводности и турбулентной диффузии взвешенных т я ж е л ы х частиц. Гравитационное воздействие на частицы учитывается в уравнении параметром, в ы р а ж а ю щ и м гидравлическую крупность наносов. Формула этого п а р а м е т р а выводится путем приравнивания силы тяжести, действующей на частицу в воде, величине сопротивления, оказываемого обтекающими ее струями жидкости. Уравнения М а к к а в е е в а послужили хорошей' основой д л я дальнейшего развития теории транспорта наносов в русловых потоках и р а з р а б о т к и многих практических методов расчета. В этой связи можно сослаться на работы отечественных авторов: Г. С. Б а ш к и р о в а [8], А. В. К а р а у ш е в а [118, 120, 124, теоретическую модель взвешивания наносов, следует упомянуть Т. К а р м а н а и О. Б р а й е н а [212], использующих неполное дифференциальное уравнение диффузии. Н е м а л о исследований было посвящено экспериментальному изучению взвесенесущего турбулентного потока и, в частности, его придонного слоя. З д е с ь следует отметить прежде всего работы Н. А.Михайловой; в ее книге [113] приведена обширная библиография по данному вопросу.

Среди многих весьма интересных р а з р а б о т о к по теории взвешивания наносов следует у к а з а т ь на исследования М. А. Дементьева [32], а т а к ж е Г. И. Б а р е н б л а т т а, Опирающегося на теорию турбулентности, предложенную А. Н. Колмогоровым [73].

Особо следует выделить исследования взвесенесущего потока, выполненные Ф. И. Франклем [161] и имеющие большое теоретическое значение, но пока еще не нашедшие практического применения.

Теоретическая модель взвешивания и переноса наносов волноприбойным течением на побережьях озер и морей и соответствующие способы расчета рассмотрены в работах Г. С. Б а ш к и рова [8], О. Чепа [188], А. В. К а р а у ш е в а [58, 64], А. Я. Ш в а р ц - ман [172, 174] и др.

П а р а л л е л ь н о с теоретическими исследованиями наносов велись работы по созданию и совершенствованию методики полевых наблюдений, при этом большой в к л а д был внесен отечественными учеными В. Г. Глушковым, Б. А. Аполловым, Б. В. Поляковым, Г. И. Шамовым и многими другими. Р а з в и в а л и с ь т а к ж е работы и по территориальным обобщениям характеристик стока наносов, анализу условий его формирования и режима. Здесь значительных успехов достигли ученые Советского Союза, ряда социалистических стран, Соединенных Штатов Америки. Особо отметим карты мутности рек, составленные для больших территорий Г. В. Лопатиным, Г. И. Шамовым, X. Свенсоном, К- Н. Лисицыной и др. Подробно эти вопросы будут рассмотрены в специальной монографии.

1.3. Формирование и состав речных наносов В результате воздействия на горные породы механических, физических, химических и биологических процессов выветривания образуется крупный и тонкодисперсный обломочный материал, именуемый элювием. Элювиальный покров горных пород образует кору выветривания. Элювий является исходным материалом для образования почв, которые формируются в результате сложных природных процессов и антропогенных факторов.

Мелкий и крупный обломочный материал горных пород, частицы почвы, остатки растительного и животного мира являются исходным продуктом формирования наносов. Целесообразно выделять внешние и внутренние источники питания водотоков наносами. К внешним источникам относится поступление материала со склонов водосборного бассейна, со склонов долины или ж е из осыпей, непосредственно примыкающих к руслам ручьев и рек. Внутренними источниками питания наносами рек и ручьев являются отложившийся ранее русловой и пойменный аллювий, а также обломочный материал коры выветривания и непосредственно первичные продукты разрушения материнских пород в местах контакта с ними речного потока. В активно действующем потоке постоянно наблюдается обновление речного аллювия: происходит его частичный вынос и замена новым материалом, принесенным с вышерасположенных участков реки или же поступившим сюда непосредственно за счет внешних источников питания. Большинство крупных и средних рек, а также многие малые реки равнинных территорий и предгорий текут в руслах, проложенных в толщах аллювиальных отложений, накопившихся в результате многолетней деятельности самой реки или ее доисторических предшественников, в частности ледниковых потоков.

В периоды недостаточного внешнего питания наносами эти отложения питают потоки твердым материалом.

Речные наносы состоят из частиц различных размеров и формы. Форма частицы зависит от ее размера, природы вещества, из которого она состоит, от степени механической обработки в процессе движения, от ее окатанности. Наносы принято делить по размерам частиц на семь основных фракций; большая часть этих фракций подразделяется в свою очередь на две или три подфракции (табл. 1). Определяющим геометрическим размером частицы является ее средний диаметр d, принимаемый к а к диаметр эквивалентного частице ш а р а (по объему). Практически обычно пользуются приближенной оценкой величины d, удовлетворяясь данными ситового анализа.

Классификация частиц наносов по их размерам d мм Подфракции В геологии обломочный м а т е р и а л делится на следующие группы. Крупнообломочные породы — валуны, галька и гравий — образуют группу псефитов. К пескам, именуемым псаммитами, относят частицы размером от 0,05 до 1,0 мм. П ы л е в а т а я ф р а к ция (0,01—0,1 мм) называется алевритом. Выделяемую в гидрологической классификации фракцию илов в геологии относят к грубодисперсной фракции глины; эти фракции составляют группу пелитов, а собственно глиной считается ф р а к ц и я d < Все крупнообломочные фракции (псефиты) образованы из обломков пород, а не из отдельных минералов. Петрографический состав этих обломков полностью определяется составом исходных пород, за счет которых шло их формирование. В составе песков (псаммитов) и пылеватой фракции (алевритов) преобладают обломки первичных минералов: кварца, полевых шпатов, карбонатов, слюды; в них содержится т а к ж е незначительное количество т я ж е л ы х минералов ( < 1 % ).

В составе грубодисперсной части глин (пелитов) преоблад а ю щ у ю роль играют продукты механического разрушения первичных пород: кварца, полевого шпата, роговой обманки, карбонатных пород, слюды, рудных минералов. Тонкодисперсная глина (d< 0,002 мм) состоит из продуктов химического р а с п а д а различных горных пород; в ней преобладают т а к н а з ы в а е м ы е глинистые минералы, представляющие собой группу водных алюмосиликатов, железистых и марганциальных силикатов.

В глинах содержатся активные минералы, обусловливающие характерное свойство глинистых п о р о д — с ц е п л е н и е ; к таким мин е р а л а м относятся каолин, монтмориллонит, гидрослюда. Более подробные сведения о минеральном составе обломочного матер и а л а можно найти, например, в книгах Е. М. Сергеева [150], Свойство сцепления пород самым существенным образом влияет на условия транспортирования частиц потоком. Глинистые породы в ряде случаев могут перемещаться потоком не в виде мелкозернистой взвеси, а в виде агрегатов, которые способны приобретать различную форму, разную степень уплотненности и нередко достигают значительных размеров — порядка нескольких миллиметров. В процессе движения эти агрегаты трансформируются, могут увеличиваться в размерах и в дальнейшем распадаться на мельчайшие зерна породы. Аналогичным образом ведут себя и почвенные агрегаты, попадающие в первичную гидрографическую сеть на склонах и в процессе движения постепенно распадающиеся на составные части — минеральные зерна, минеральные и органические коллоиды, воднорастворимые соли.

Переносимые потоками крупнообломочные частицы горных пород подвергаются механической обработке, обусловленной соударениями частиц, их взаимным трением, ударами и трением о дно потока. В итоге первоначально угловатый обломочный материал окатывается, уменьшаются размеры частиц. Хорошо окатанные частицы гальки, гравия и песка приобретают форму сжатого эллипсоида вращения, при этом обычно чем меньше частицы, тем меньше степень сжатия: частицы песка обычно имеют форму, приближающуюся к шарообразной. В составе речных наносов встречаются и частицы с плохо обтекаемой формой; наиболее характерны в этом отношении пластинки слюды.

Процесс постепенного истирания наносов в реках изучается у ж е давно. Одной из ранних работ в этом направлении было исследование Штернберга, которое оказалось достаточно удачным и выдержало испытание временем. Штернберг исходит из того, что коэффициент истирания частицы пропорционален скорости ее движения, и в соответствии с этим записывает дифференциальное уравнение истирания. Интегрирование этого уравнения и переход от веса частицы к ее среднему диаметру D позволяет получить следующую формулу истирания наносов на пути их перемещения х\ здесь D0 — диаметр частицы в начальном створе, где принято х= — 0. При измерении пути х в метрах численное значение коэффициента т, по-видимому, заключено в пределах 5- Ю - 6 ^ т ^ 10- Ю -6. Надо иметь в виду, что т зависит от прочности истираемой породы и от условий транспортирования наносов в потоке. Поэтому целесообразно определять коэффициент т непосредственно в натурных условиях.

Можно принять другое предположение о коэффициенте истирания частицы, а именно считать его пропорциональным не только скорости движения, но и массе частицы в воде М{ 1—p/ps), где р — плотность воды, a p s — плотность частицы.

Уменьшение массы частицы М за счет истирания определится соотношением где — постоянный размерный коэффициент; Мо — масса частицы при х — 0.

Переходя к линейным размерам частиц и объединяя постоянные в один коэффициент k, записываем При выражении х в метрах, a D в миллиметрах численное значение k колеблется в пределах 0,5- Ю -10 ^ k ^ 10- Ю -10, Это уравнение на начальном участке пути дает более интенсивное истирание частиц, чем уравнение Штернберга, а затем значительно более медленное. При определении параметров т и k в приведенных выше формулах и сопоставлении их с натурными данными надо учитывать возможность уменьшения D по. х, обусловленную не только истиранием частиц, но и уменьшением уклона потока по длине х.

В реках всегда транспортируются наносы различного размера, поэтому выражение крупности частиц через один их средний размер представляется недостаточным. В гидрологии пользуются гранулометрическими кривыми наносов, получаемыми на основании лабораторных анализов проб грунтов или транспортируемых частиц.

В процессе транспортирования наносов потоками происходит определенная сортировка частиц по крупности. При изменении гидравлических характеристик потока изменяется и крупность транспортируемых им наносов. Эти изменения наиболее резко отражаются на крупных частицах, транспортирование которых при снижении скорости течения ниже определенного предела прекращается. Сортировка никогда не бывает полной, она приводит лишь к сужению спектра крупности частиц; при этом предельные значения размеров частиц, как и их медианное значение, зависят, с одной стороны, от гидравлических параметров потока, а с другой — от состава частиц, имеющихся в источниках питания потока наносами. Весьма значительным разнообразием отличается и гранулометрический состав донных отложений речных потоков.

В табл. 2 и на рис. 1 приведены примеры гранулометрического состава речных отложений, характеризующихся широким диапазоном крупности (кривые 1, 2 и 6), и наносов, имеющих сравнительно узкий диапазон крупности (кривые 3—5 и 7).

где /Поти — масса скелета грунта, занимающего объем F r.

1—7—номера кривых* соответствующие номерам пунктов по табл. 2.

В табл. 3 дана типизация донных отложений по гранулометрическому составу и характерные для каждого типа грунта значения плотности. В рамках показано характерное содержание фракций (в процентах), входящих в состав данного типа грунта.

; Известно, что свежеотложившийся материал имеет меньшую плотность, чем _ слежавшийся грунт. При составлении табл. 'предполагалось, что отложения у ж е : достаточно уплотнены.

Кроме того, в таблице не учитывается содержание органических веществ. С увеличением содержания органических примесей плотность донных отложений уменьшается. Например, плотность отложений прудов южной части Украины при 5%-ном содержаний (по массе высушенного вещества) органических остатков уменьшается на 20—30%, при 10%-ном — н а 30—50%. Это соотношение следует учитывать при оценке плотности грунтов.

CОоо о ИЧ я я Характер осаждения частиц при разных режимах различен.

По наблюдениям Романовского, при ламинарном режиме частица падает в жидкости практически по прямой линии и в процессе падения не меняет своей первоначальной ориентации относительно направления движения. При турбулентном режиме падающая частица всегда ориентируется так, что ее максимальная площадь сечения оказывается перпендикулярной среднему направлению относительного движения частицы в жидкости. Траектория частицы при этом имеет извилистый, иногда винтообразный характер.

На основании полученных данных, характеризующих все три режима осаждения частиц (турбулентный, переходный и ламий м/с РИС. 4. Зависимость гидравлической крупности частиц и от их нарный), Романовский построил шкалу гидравлической крупности наносов в воде при температуре 15°С. Шкала представлена в виде графиков (рис. 4) и в форме таблицы (табл. 7) и дается как функция двух переменных: среднего линейного размера Режим осаждения частицы (среднего диаметра) с?Ср и параметра ее формы 0. Плотность зерен естественных наносов принята равной 2,65 • 103 кг/м 3.

Д л я перехода к гидравлической крупности частиц в воде, имеющей температуру, отличающуюся от 15°С, рекомендуется использовать переходные коэффициенты помещенные в табл. 5.

Еще в середине прошлого столетия предпринимались попытки объяснить процесс взвешивания тяжелых твердых частиц в потоках. Так, И. Дюпюи полагал, что взвешивание происходит под, влиянием так называемой подъемной силы, возникающей на поверхности твердой частицы за счет различия скоростей течения над верхней и под нижней поверхностями ^ взвешиваемой частицы. Это различие скоростей Дюпюи связывал с особенностью распределения - скорости по вертикали. Подобное воззрение вскоре было признано несостоятельным, поскольку оно не учитывало основных особенностей структуры взвесенесущего. турбулентного потока. В 1895 г. Кеннеди, по-видимому, впервые дал правильное объяснение причины взвешивания наносов, указав на действие вертикальной составляющей скорости. Связав вертикальную компоненту со средней продольной скоростью, Кеннеди вывел формулу для некоторого параметра руслового потока, названного им неразмывающей скоростью. Эта формула не содержит никаких характеристик крупности наносов, поэтому она не может быть признана удовлетворительной. Тем не менее в течение ряда лет она использовалась в Индии, России и других странах при проектировании ирригационных каналов. Эмпирический коэффициент этой формулы подбирался для соответствующих местных условий и в какой-то мере учитывал крупность частиц.

Весьма обстоятельное натурное исследование взвешивания наносов было выполнено в 1910 г. В. Г. Глушковым [23]. Выяс-, нив зависимость взвешивания тяжелых частиц от вертикальной составляющей пульсационной скорости турбулентного потока, он указал, в частности, на,- то, что наибольшая крупность взвешиваемых в потоке зерен наносоё "определяется максимальной вертикальной составляющей" пульсационной скорости? На основании этого Глушков предложил сТюсоб определения вертикальной составляющей турбулентной пульсации в речном пОтоке., Сущность способа заключалась в том, что из взятых в реке проб выделялись частицы, имеющие наибольшую гидравлическую крупность, и считалось, что максимальное значение вертикальной компоненты пульсационной скорости равно этой гидравлической крупности. Метод может дать удовлетворительный результат в том случае, если в составе донных наносов имеются частицы соответствующего размера. Кроме того, необходима достаточная продолжительность отбора пробы из потока, чтобы обеспечить улавливание экстремальных по размеру взвешенных частиц.

Способ Глушкова не получил распространения ввиду многих затруднений, возникающих при его практической реализации.

Попытка теоретического решения вопроса о взвешивании наносов в потоках в 1919 г. была предпринята Н. Е. Жуковским, который увязывал процесс взвешивания с восходящими течениями однородных вихревых образований, имеющих горизонтальную ось и заполняющих весь поток в строгом порядке. Модель, предложенная Жуковским, интересна в теоретическом отношении, но она мало напоминает условия реального турбулентного потока, водные массы которого участвуют в формировании вихрей различного размера и разной ориентации. Эти вихри располагаются в потоке беспорядочно; они возникают, развиваются и отмирают, а вместо них формируются новые. Водные массы одновременно могут участвовать в движении вихрей разного порядка. Турбулентная пульсация, в действительности носящая характер случайного явления, по схеме Жуковского, должна была бы подчиняться строго периодическому закону.

Накопление сведений о структуре турбулентных потоков и построение более или менее реалистической модели • турбулентности явились импульсом для разработки достаточно обоснованной теории взвешивания наносов.

Широко используемая в настоящее время как у нас, так и за рубежом так называемая диффузионная, или полуэмпирическая, теория взвешивания наносов является составной частью общей полуэмпирической теории турбулентности, которую выше, в разделе о речной гидравлике, мы назвали динамической теорией турбулентности.

Исходные положения диффузионной теории турбулентности были разработаны Д ж. Тейлором и В. Шмидтом в 1915—1925 гг.

применительно к условиям свободной атмосферы. Теория основана на идее о турбулентном переносе в потоке количеств движения, тепла, взвешенных и растворимых веществ и о тесной взаимной связи параметров, определяющих перенос указанных характеристик.|Рсновной параметр теории, определяющий перенос количеств движения, именуется коэффициентом турбулентного обмена, или коэффициентом виртуальной вязкости; он обозначается через А. Коэффициент турбулентной теплопроводности записывается в виде сА, где с — удельная теплоемкость жидкости. Коэффициент турбулентной диффузии, определяющий турбулентный перенос взвешенных и растворенных веществ в потоке, выражается как частное А/р, где р — плотность жидкости.

По теории Тейлора—Шмидта секундный перенос растворенного в жидкости вещества через единицу выделенной в потоке площадки с нормалью у выражается зависимостью где s — концентрация вещества в жидкости. Положительным направлением переноса считается перенос в сторону положительного направления оси у.

Перенос количества движения описывается следующим приближенным равенством:

Величина ( q r ) x V имеет размерность касательного напряжения и связана с ним соотношением Напишем выражение турбулентного переноса взвешенных тяжелых частиц, имеющих гидравлическую крупность и. Рассмотрим секундный перенос взвешенного вещества через единицу выделенной в потоке контрольной площадки. Пусть эта площадка будет горизонтальной. Концентрация s тяжелых частиц в потоке при установившемся режиме взвешивания возрастает сверху вниз. Поэтому если нормальную к площадке ось у направить вниз, то производная s по у будет положительной. За счет турбулентного перемешивания через площадку снизу вверх, т. е.

в направлении, противоположном положительному направлению оси у, будет осуществляться перенос взвеси, согласно зависимости (2.30). Под влиянием силы тяжести взвешенные в воде частицы будут совершать относительное движение сверху вниз со скоростью и. Расход взвеси за счет такого добавочного движения через единицу площадки будет us, где s — концентрация взвеси (т. е. мутность) на уровне площадки. Результирующий перенос взвешенных частиц через площадку определится равенством При использовании статистического метода изучения пульсирующих скоростей и мутности единичные расходы переноса (секундные объемы или массы) выражают через моменты корреляции пульсационных отклонений этих величин. Перенос количеств движения выражается формулами вида:

Произвольная постоянная интегрирования ci определяется из имеем ' Подставив это равенство в уравнение (3.20), заменив величину Р, согласно формуле (3.14), и введя функцию получаем следующую запись искомого уравнения:

или где принято Величина G, является безразмерным характеристическим чисдрм, выражающим одно из условий подобия взвешивания наносов г-той фракции в потоке. Это число может быть отнесено и к, многофракционным наносам.при использовании средневзвешенного, медианного или какого-либо другого репрезентативного значения гидравлической крупности смеси наносов.

В общем виде оно записывается так:

Критериальное число G получено А. В. Караушевым [53] теоретически при анализе уравнения турбулентной диффузии, приведенного к безразмерному виду. Заметим, что одновременно И. И. Леви [85] на основе анализа условий- взвешивания частиц в турбулентном потоке получил критерий и с р / U, т. е. число, обратное G.

Формула (3.24) выведена Караушевым в 1948 г.; проверка на натурном материале обнаружила полную пригодность формулы для практического применения. Расчет распределения общей мутности многофракционных наносов выполняется путем суммирования частных значений для точек вертикали, т. е. сложением частных эпюр Функция Si (у) вычисляется по формуле (3.24).

На рис. 17 и 18 представлено сравнение эпюр частной мутности Si (у) и общей мутности 5(г/), построенных по данным измерений и по расчету, выполненному по формулам (3.24) и (3.28). Как видим, соответствие кривых, полученных по измерениям и по вычислениям, достаточно хорошее.

В 1931 г. В. М. Маккавеевым при. использовании предположения о постоянстве коэффициента турбулентного обмена А по где т — параметр параболы Базена (формулы вертикального распределения скорости); по Буссинеску т = 24 = const. Более правильным является принятие переменного значения т. Наши определения показали, что Содержащаяся здесь величина М находится по формуле (3.15) или (3.17).

Сравнение формул (3.24) и (3.29) между собой показывает относительно небольшое расхождение получаемых по ним графиков распределения мутности. Формула (3.24) обнаруживает все ж е большую кривизну эпюры мутности, что подтверждается и натурными данными. Тем не менее следует считать формулу (3.29) пригодной для приближенных расчетов распределения мутности в речных потоках. В настоящей книге используется в основном формула (3.24) как более точная.

В целях упрощения. практического применения формулы (3.24) построена расчетная номограмма функции Р(#). При этом учтено, что формула может быть отнесена и к случаю распределения мутности по вертикальному диаметру горизонтальной трубы с осесимметричным течением. При расположении начала координат на оси трубы будем получать положительные значения у вниз от оси и отрицательные — вверх от нее. На нижней и на верхней границах потока будем иметь соответственно у = 1 и у = —1, полагая, что в данном случае где г — радиус трубы.

Ниже будет показано, как формула (3.24) может использоваться для описания эпюры мутности в речном потоке, покрытом льдом.

Номограмма функции р (у) для всех величин у от —1 до + при ряде значений С изображена на рис. 20.

При решении практических задач, относящихся, в частности, к учету мутности водных масс при оценке их качества применительно к различным условиям водопользования, возникает задача оценки средней мутности водных масс в потоке. В первую очередь при этом оказывается необходимым определить среднюю по вертикали мутность. Говоря о мутности как одном из показателей качества воды, надо учитывать, что в зависимости от поставленной задачи средняя мутность водных масс должна (0макс- Величине « п р е д отвечает d'i- Откладывая на абсциссе дифференциального графика состава наносов значения di и di и проводя вертикальные линии, получают слева от этих ли-, ний соответственно площади графика Q У) И 2взв* Далее необходимо найти границу ds, отвечающую наибольшей крупности влекомых наносов. Д л я этой цели используем следующую, упоминавшуюся выше, формулу начальной скорости влечения:

(обозначения см. в разделе 2.3).

Заменяя здесь v m 4 средней скоростью потока Пере определяют величину d, отвечающую предельной крупности передвигаемых частиц, т. е. величину ds.. Нанеся, на график границу ds, получаем справа от нее неподвижные наносы, а слева — влекомые и взвешенные.

Вся площадь графика 20бщ равна 100%; площади й в з в, й в л и Ошг, выраженные в процентах, в сумме дают 100%. Д л я вычисления русловых коэффициентов имеем следующие зависимости: • '.

Чем ближе русловые коэффициенты к единице, тем интенсивнее процесс взаимообмена потока и русла, тем в большей мере русло может подпитывать поток наносами.

Весьма неблагоприятные условия в отношении размывов русла возникают при Иув = 1. Очевидно, что в этом Случае также {Хвзв — 1 и ц 0 = 1; Менее подверженным размыву^ хотя еще и очень неустойчивым, является русло при коэффициентах И у в < 1, й в з в = 1, Ца = 1.' а • более устойчивым — при И у в < ^ 1, Ивзв-1 мм). Д л я рек с меньшей крупностью отложений формула дает некоторое завышение высот гряд.

Д л я определения длины гряды Кнороз дает следующую формулу:

Длины гряд, рассчитанные по этой формуле, хорошо сходятся с натурными данными для больших рек; для малых ж е рек по формул;ё' : получается некоторое завышение iTi Кнороз осуществил проверку свойХ' формул на экспериментальных материалах В. Ф. Пушкарева, при этом он пришел к выводу, что,формулы применимы при значениях vcp/vo, не превышающих 2,5^-2,7. Он считает, что при больших величинах t>Cp/z>o„ частицы донных наносов переходят во взвешенное состояние и при этом исчезает грядовая структура дна.

Как уже указывалось (гл. 2), интересное обобщение материала по донным грядам и их типизации- выполнено Н. С. Знаменской [46], которая построила серию графиков, предназначенных для практического определения параметров гряд. Эти графики помещены в гл. 2 монографии. Графическую зависимость Знаменской для высоты гряд в общем виде можно представить как следующую функцию:

Использование графиков Знаменской для определения hv обнаруживает сравнительно близкую сходимость с натурой.

Графическая зависимость Знаменской для длины гряд /г может быть изображена в виде функции где Fr* — корень квадратный из числа Фруда Fr, т. е. Fr* = = У Р г ; «so — гидравлическая крупность частиц, отвечающая их диаметру 50%-ной обеспеченности на интегральном графике гранулометрической кривой.

Зависимость (4.10) дает заниженные значения /г. Введение масштабного коэффициента, предложенного в последних разработках Знаменской [47], несколько улучшает результаты расчетов /г для малых рек.

Большой интерес представляют собой исследования, выполненные Ю. М. Корчохой [77] на р. Полометь. Собранный им на протяжении нескольких лет натурный материал позволил проверить некоторые расчетные зависимости элементов гряд и получить новые формулы для высоты и скорости перемещения гряд.

Выполненная в ГГИ проверка формулы Корчохи на натурном материале по другим объектам показала, что для с г она дает хорошую сходимость с измеренными величинами. Эта формула имеет вид Практически приемлемыми оказались расчетные зависимости высоты и скорости движения гряд, предложенные в 1971 г.

Г. В. Железняковым и В. К. Дебольским [42]. Их зависимости Обозначения и размерности величин те же, что и в предыдущих зависимостях.

Д л я вычисления длин гряд наиболее удачной оказалась формула А. В. Караушева [50], предложенная им в 1974 г., Она может быть использована для рек различного размера и лабораторных лотков. В приведенной формуле N — характеристическое число, определяемое равенством где С — коэффициент Шези; М — параметр, зависящий от С.

На основании детального рассмотрения и проверки методов расчета и формул параметров донных гряд оказалось возможным дать некоторые рекомендации по их практическому применению. Д л я проверки формул использованы данные натурного изучения гряд, полученные Н. М. Капитоновым, Ю. М. Корчохой, Н. М. Кулеминой, Б. Ф. СнищенКо и др. ( т а б л. 2 3 ).

Из табл. 23 видно, что при проверке использованы данные по таким крупным рекам, как Волга, Днепр, Дон и т. д. Наряду с этим проверка выполнялась и по материалам изучения гряд на малых реках Хия (ширина 8 м) и Полометь (ширина 30-м). Общий диапазон изменения глубин от 0,2 до 10 м, а скорости течения— от 0,4 до 1,7 м/с. Гранулометрический состав донных отложений был весьма разнообразный; йъо колеблется от 0,20 до 4 мм. Д л я вычисления каждого параметра гряд (1Г, hr, сг) использовано от 80 до 100 натурных измерений.

В результате проверки различных формул установлено, что для расчета высоты гряд в практических целях могут использоваться формулы Кнороза, Железнякова—Дебольского и метод Знаменской, по которому получается несколько лучшая сходимость с натурой. При вычислении длин гряд в потоках разного размера целесообразно применять формулу Караушева. Зависимость Кнороза целесообразно использовать для крупных рек, а метод Знаменской — для небольших рек. Д л я определения скорости перемещения гряд следует пользоваться формулой Корчохи, так как она дает хорошую сходимость для рек разного размера. Могут применяться также формулы Железнякова—Дебольского и Пушкарева.

В табл. 23 приведены данные измерения и вычисления параметров донных гряд по тем формулам, которые обнаружили лучшую сходимость с измеренными величинами. Вычисления велись также по многим другим формулам (В. Н. Гончарова, Б. А. Шуляка, А. Ф. Кудряшова, Д. Кеннеди, Т. Хаяши и др.). Данные расчетов по этим формулам в таблицу не помещены, поскольку отклонения от натуры оказались весьма значительными. Следует заметить, что ряд предложенных различными исследователями методов вычисления параметров гряд не доведен до возможности практического использования. Сюда относятся теоретические методы Д. Кеннеди, М. Ж и л ь и др. Упрощенные варианты методов указанных авторов дают явно неудовлетворительный результат.

где С — коэффициент Шези.

Коэффициент Э вычисляется по формуле где а и b — соответственно длина и ширина частицы; d — ее средний диаметр.

В расчетах используется среднее для всех фракций значение ©; при отсутствии данных принимают в = 0,75. Начальная скорость влечения частиц (^нач) определяется по зависимости Значение / находится по табл. 8 как функция формы частиц найосов 0. Гидравлическая крупность и определяется по таблице и (d). Д л я установления статического (fo) и динамического (f) коэффициентов трения, входящих в выражение (4.39), необходимо использовать табл. 8 и графики, представленные на рис. и 9. При использовании этих данных необходимо учитывать, что эксперименты по определению величин fo и f проводились с однофракцион-ной, жестко закрепленной шероховатостью дна, которая позволяла довольно точно определять высоту выступов донной шероховатости (Д). При разнофракционных донных наносах высота выступов донной шероховатости, очевидно, будет зависеть от их гранулометрического состава. Зависимость между гранулометрическим составом донных наносов и величиной Д пока не установлена. Поэтому в первом приближении при использовании зависимости fo = < ( в, - ^ - j можно принять отнор шение d/Д = const = 1.

В соответствии со сказанным метод расчета рвл, основанный на формуле (4.39), надо трактовать как приближенный, подлежащий дальнейшему усовершенствованию.

При песчано-гравелистых грунтах в руслах рек, как правило, образуются донные аккумулятивные формы — гряды и рифели, которые в условиях активного взаимодействия потока и русла перемещаются в направлении течения. Расход наносов Р г, определяемый перемещением гряд и рифелей, называют расходом донно-грядового движения наносов, который довольно хорошо отражает транспорт русл сформирующих фракций. Если не ставится задача полного учета стока наносов "(взвешенных и влекомых), то расход русл сформирующих фракций,-получаемый по перемещению донных гряд, может рассматриваться как расход влекомых наносов Рвл. При определении суммарного расхода (или стока) взвешенных и влекомых наносов величина Р г не может использоваться без соответствующего кор|ректива (об этом см. в следующем разделе), поскольку она включает расход некоторых промежуточных фракций, учитываемых при измерении (или вычислении) расхода взвешенных наносов.

Расход донно-грядового перемещения наносов может быть определен по данным расчета элементов гряд или рифелей, их высоты hF и скорости перемещения с г. Кроме этого, должна учитываться также плотность грунта рг, составляющего активный слой русла. Выражение Рт может быть записано следующим образом:

где а — коэффициент формы гряды, учитывающий соотношение между ее средней и максимальной высотой; в : первом приближении а « 0, 5.

Д л я подсчета стока влекомых.наносов за те или иные промежутки времени рекомендуется использовать графики зависимости расходов влекомых наносов от расходов воды PBa = f(Q).

График строится по вычисленным значениям расходов влекомых наносов во всем диапазоне изменения расходов воды данной реки за многолетний период.

На реках с плавным ходом стока воды средний суточный расход влекомых наносов снимается с графика PBJI = f(Q) по значениям среднего суточного расхода воды. На реках с резкими колебаниями расхода воды внутри суток средний суточный расход влекомых наносов подсчитывается как средняя взвешенная (по времени) величина из расходов влекомых наносов, снятых с графика связи Р в л = / (Q) по характерным (переломным) значениям расходов воды за сутки.

Сток влекомых наносов за длительные интервалы времени (месяц, год) подсчитывается путем суммирования средних суточных расходов влекомых наносов. Допускается подсчет стока наносов и по осредненным за более крупные интервалы времени значениям Q, если контрольные расчеты показывают удовлетворительную сходимость результатов такого упрощенного подсчета с данными посуточного расчета.

По данным вычислений за характерные по водности годы строится график связи годовых значений стока воды и влекомых наносов. Этот график используется для определения параметров годового стока влекомых наносов (средней многолетней величины, коэффициента вариации и годовых величин заданной вероятности превышения) графо-аналитическим способом. Пользуясь этим графиком, можно также определить сток влекомых наносов за конкретные годы, для которых имеются сведения о годовом стоке воды.

4.3. Вычисление суммарного расхода В отличие от предыдущих разделов настоящей главы, где рассматривались способы вычисления параметров гряд и расхода влекомых наносов теми или иными расчетными методами, здесь излагается способ получения суммарного расхода взвешенных и влекомых наносов по данным раздельного измерения указанных величин в речном потоке. При этом используются общие теоретические соображения о взаимосвязи фракционного состава транспортируемых наносов с их разделением на взвешенные и влекомые. Именно по этой причине настоящая задача рассматривается в данной книге, посвященной теоретическим расчетным методам.

При раздельном измерении взвешенных и влекомых наносов возникает опасность двойного учета одних и тех же транспортируемых фракций в составе взвешенных и влекомых наносов.

На это обстоятельство обращалось внимание в статьях А. И: Кузнецова [79] и А. В. Караушева [61]. Кузнецов отмечал, что влекомые наносы частично входят в эпюру мутности. В работе Караушева указывалось, что разделение транспортируемых наносов на категории взвешенных и влекомых выполняется по крупности частиц на основе их гидродинамических характеристик. Вследствие турбулентной пульсации скоростей течения П о с л е д н е е происходит д а ж е в условиях установившегося потока.

всегда имеет место взаимное проникновение частиц взвешенных и влекомых наносов, особенно в области граничных фракций.

оценке общего транспорта взвешенных и влекомых наносов, остановимся ниже, а сейчас перейдем к изложению некоторых предложений, имеющихся в ряде опубликованных работ.

получения полного расхода взвешенных и влекомых наносов п р е д п р и н я л и X. А. Э й н ш т е й н и Н. Ч и и н [192]. О н и н а ш л и в з а и мосвязь м е ж д у интенсивностью транспорта наносов, гранулометрическим составом поверхностного слоя русла и гидравлическими характеристиками потока. Теоретические разработки практическое применение этих зависимостей затрудняется необходимостью определения мгновенных характеристик гранулометрического состава донных отложений (особенно мелкой илистой ф р а к ц и и ). С д р у г о й с т о р о н ы, с о м н и т е л ь н а и н а д е ж н о с т ь рекомендуемого способа, поскольку вызывают сомнения некоторые исходные положения.

разграничивающего категории взвешенных и влекомых наносов, с о п о с т а в л е н и е г р а н у л о м е т р и ч е с к и х кривых в з в е ш е н н ы х и влекомых наносов. Кривая гранулометрического состава взвешенных наносов п о м е щ а е т с я п о д кривой гранулометрического состава частиц совместилась. О б е эти кривые соединяют путем графической интерполяции. Точка пересечения интерполированного ж е таблице значения наибольших диаметров частиц в составе взвешенных наносов, полученные по непосредственным измерениям, в несколько раз превышают значения граничных диаметров по Крессеру, что свидетельствует о недостаточной удовлетворительности его способа.

Сравнение граничного диаметра частиц по Крессеру На основании графической обработки материалов наблюдении на реках Австрии Крессер получил эмпирическую зависимость для определения граничного диаметра зерен dr, имеющую где Vcp -— средняя скорость потока; g — ускорение свободного падения; k — коэффициент, изменяющийся от 100 до 1000. Д л я рек Австрии k = 360. Если выразить у в м/с, a d в мм, то для граничного диаметра частиц, разделяющих влекомые и взвешенные наносы, согласно Крессеру, получим Попытка получить подобную зависимость была предпринята Разумихиной при обработке материалов по р. Полометь. Ею найдена зависимость