книги из ГПНТБ / Гришанин К.В. Устойчивость русел рек и каналов

"1

Гос. П /Г .гі'^ая

научь чая

УДК 556.537

В книге рассматриваются вопросы устойчивости русел рек и каналов, сложенных подвижными (несвяз­ ными) грунтами. Общая проблема устойчивости раз­ деляется на две частных: проблему начальной устой­ чивости плоского дна и проблему временной устойчи­ вости сформировавшихся русел. Решение первой проб­ лемы в последнее время успешно осуществляется с по­ мощью классического метода малых возмущений. Для решения второй используются методы теории подобия с определением эмпирических параметров по данным натурных и лабораторных измерений. Заключительная часть книги посвящена расчету неукрепленных каналов.

Книга рассчитана на гидрологов, инженеров-гндро- техников и научных работников, интересующихся во­ просами руслового процесса.

The book is devoted to the stability of river and canal channels, formed by movable (noncohesive) grounds. The general problem of stability is subdivided into two major parts: the problem of the initial stability of a flat bed and the problem of the temporal stability of self-formed chan­ nels. At present, first problem is succesfully treated by means of the classical small perturbations method. Simi­ larity theory methods are used in this book for the solu­ tion of second problem. Empirical parameters are defined by data of field and laboratory measurements. The last chapter of the book deals with the unlined canals design.

The book is addressed to hydrologists, hydraulic en­ gineers, and research workers, who are interested in allu­ vial processes.

© Гидрометеоиздат, 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

С проблемой устойчивости эродируемых русел приходится иметь дело во многих случаях речного гидротехнического строительства: при создании водозаборных сооружений, сооружений для выпуска отработанных вод, при поддержании судоходных трасс, и т. д. В строительстве оросительных каналов эта проблема может при­ обретать решающее значение.

Исследования русловой устойчивости ведутся с конца XIX в. Так как в то время теория движения жидкости в подвижном русле еще только зарождалась, то эмпирический метод исследования был преобладающим. Долгое время внимание сосредоточивалось на двух частных вопросах: I) какова наибольшая скорость тече­ ния, при которой донные частицы остаются в покое; 2) какова пре­ дельная концентрация взвешенных наносов, при которой наносы не осаждаются. Многие решения носили региональный характер — они имели силу лишь для той ограниченной группы объектов, к ко­ торой относились исходные данные. Более широкий и обоснован­ ный подход к проблеме стал возможным после того, как в сере­ дине текущего столетия завершился начальный этап развития динамики русловых потоков, и она окрепла в качестве самостоя­ тельной научной дисциплины. Широко известна та роль, которую сыграла в становлении новой науки деятельность старшего поко­ ления советских гидрологов и гидравликов: М. А. Великанова, В. М. Маккавеева, В. Н. Гончарова, И. И. Леви, И. В. Егиазарова. Наиболее важным общим результатом их исследовательской ра­ боты явилось понимание глубокой взаимосвязи всех элементов руслового процесса.

К настоящему времени стало общепринятым рассматривать по­ ток жидкости и подвижное русло как единую механическую си­ стему, обладающую свойствами саморегулирования. Существует явная связь между водностью потока и размерами его русла. Еще теснее взаимосвязь между элементами движения воды и макроше­ роховатостью дна. Изменяемость грядового рельефа дна под воз­ действием течения обусловливает в определенных границах рост русловых сопротивлений при увеличении расхода воды и способст­ вует этим относительной стабильности естественных русел. В при­ вычном для нас облике равнинных рек с их значительными глуби­ нами и медленным течением мы стали видеть результат не только

ГЛАВА 1

ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ РУСЛА

§ 1.1. ПОНЯТИЕ УСТОЙЧИВОСТИ РУСЛА

Инженер, проектирующий на реке водозаборное сооружение или переход трубопровода, должен быть уверен, что в течение не­ которого, достаточно длительного времени русло реки не будет ме­ няться — водозабор не окажется в стороне от реки, труба не об­ нажится. Чтобы приобрести такую уверенность, он сравнивает планы участка реки за ряд предшествующих лет и если находит, что основные размеры и положение русла на местности за эти годы оставались примерно одними и теми же, он называет такой участок устойчивым. Участки, где размеры и положение русла ме­ нялись, он назовет неустойчивыми. Сопоставляя один деформирую­ щийся участок с другими, он будет говорить о разной степени их устойчивости (или неустойчивости), понимая под этим различия в скорости русловых деформаций.

Таким же понятием устойчивости русла пользуется и инженер, строящий или эксплуатирующий оросительные каналы. Устойчивым он называет неукрепленный канал или участок канала, который не размывается и не заиляется.

Для русел с простой конфигурацией, пользуясь уравнениями динамики русловых потоков, можно сформулировать условия устойчивости в математическом виде. На прямом колене реки и на прямом участке неукрепленного канала, где нет поперечного пере­ мещения наносов и плановое положение русла неизменно, условие устойчивости сведется к условию неизменяемости расхода наносов

dQs

дх — 0. Если движение потока установившееся

(единственный случай, который до недавнего времени рассматри­ вался), формулы расхода наносов вместе с уравнением неразрыв­ ности превращают написанное равенство в равенство нулю произ-

Ö C 0

водной от площади живого сечения по длине русла: дх ■= 0.

Нецилиндрические участки подвижных русел, где это равенство не соблюдено, неустойчивы. Степень их неустойчивости (интен­ сивность деформаций) определяется абсолютными значениями про-

ловых наносов есть функция подвижности донных частиц, т. е. числа частиц, участвующих в движении, и скорости их перемещения.

5

Подвижность донных частиц принято суммарно характеризовать значениями коэффициентов подвижности. Коэффициент подвиоісности выражает (с точностью до множителя) отношение сил, стремящихся сдвинуть донную частицу, к силам, удерживающим ее на месте. В настоящее время применяются следующие коэффици­ енты подвижности:

g — гравитационное ускорение; То — касательное напряжение на дне («влекущая сила»); U — средняя скорость; d — диаметр донных частиц; ш0 — гидравлическая крупность донных частиц. В равно­ мерном потоке т0 = рgHI, где Н — средняя глубина и / — гидрав­ лический уклон. Факторы, определяющие равновесие донных частиц, с наибольшей полнотой учтены в третьем из написанных вы­ ражений. Величина т0 выражает действующие на частицу гидроди­ намические силы; в величине гидравлической крупности w0 сум­

этот коэффициент в виде отношения v^/wo-

Величины, обратные коэффициентам подвижности, называются

коэффициентами устойчивости. Исторически первым выражением этого типа был коэффициент устойчивости В. М. Лохтина dl&zw, где бzw— километрическое падение свободной поверхности. Недо­ пустимо, конечно, отождествлять понятие устойчивости донных ча­ стиц с понятием устойчивости русла. Прямолинейный цилиндриче­ ский участок русла может пропускать большой транзитный расход йаносов. По его дну будут перемещаться гряды, устойчивость донных частиц будет мала, а русло в силу того, что расход наносов, осредңенный по длине гряд на участке, не меняется, будет сохранять свои главные размеры, т. е. будет устойчивым. Наоборот, на участках су­

жения или расширения русла, где -^-=^0, деформации неизбежны

даже при небольшом расходе наносов, т. е. при относительно высо­ кой устойчивости донных частиц. Только в тривиальном случае не­ подвижных донных отложений русло будет устойчиво независимо от его конфигурации. С такой картиной можно встретиться на неко­ торых реках Северо-Запада ЕТС, текущих в глинисто-валунных грунтах. Их русла, сформированные мощными потоками конца ледникового периода, при современном стоке почти не меняются.

Таким образом, для суждения о степени устойчивости русла надо знать не только подвижность донных частиц, но и то, как меняются элементы движения по длине потока и во времени.

6

Изложенным, по существу, исчерпывается подход к проблеме устойчивости русла, существовавший до недавних пор. Его основ­

методами динамики русловых потоков; 3) решение того же вопроса (в случае сложных русловых форм) приемами геоморфологического анализа. Этот подход зародился в 90-х годах XIX в., когда В. М. Лохтин предложил свой коэффициент устойчивости, а Р. Кен­ неди сформулировал концепцию режимного канала. За прошедшее с тех пор время на основе этого подхода было получено много по­ лезных результатов. В течение последних 10—15 лет выяснилось, однако, что такой подход недостаточен, и проблема устойчивости русла требует более глубокой и точной трактовки.

В пересмотре и уточнении сложившихся взглядов основную роль сыграли: 1) учет нестационарное™ движения речного потока и по­ токов в каналах; 2) учет случайных факторов руслового процесса; 3) постановка и решение некоторых задач об устойчивости русла, как задач об устойчивости движения относительно малых возму­ щений.

По всем трем направлениям предстоит еще большая исследо­ вательская работа. Однако полученные результаты достаточны для того, чтобы увидеть проблему устойчивости русла в новом свете. Приведем некоторые предварительные сведения об этих трех на­ правлениях.

§ 1.2. РОЛЬ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ ТЕЧЕНИИ

Внимание к роли нестационарное™ течений в русловом процессе первоначально привлекли сложные явления в нижних бьефах гид­ ростанций, ведущих суточное регулирование стока. Хотя время подъема уровней, когда поток движется с высокими скоростями, составляет обычно не более четверти суток, наблюдения в натуре и в лабораториях показали, что суточные колебания расхода воды приводят к росту донных гряд, усиливают заносимость судоходных прорезей и ускоряют размыв берегов [6, 31, 36].

Таким образом, нестационарное™ движения потока в той ее резкой форме, в какой она проявляется при суточном регулирова­ нии, способствует неустойчивости.

Вслед за этим встал вопрос о влиянии на устойчивость русла медленных изменений расхода воды, наблюдающихся при естест­ венных колебаниях стока равнинных рек. Прежде всего надлежало выяснить, возможно ли поддержание транзита наносов на цилин­ дрическом участке русла во всех фазах колебаний стока. При по­ ложительном ответе следовало дать математическую формулировку условия устойчивости, основанную на общих уравнениях неустановившегося движения открытого потока (уравнениях Сен-Венана). Чтобы транзит наносов мог осуществляться без перерывов, движение

7

потока и в фазе подъема, и в фазе спада должно мало отли­ чаться от равномерного. Это требование равносильно условию при­ ближенной однозначности кривых расходов воды Q = f(z,„). В недеформируемом русле однозначную связь с уровнем имеют все эле­ менты живых сечений, в том числе площадь живого сечения со. Следовательно, связь между Q и zw можно заменить связью между Q и со. Так как вид связи Q и со на разных участках бывает раз­ ным, то в общем случае имеем: Q = Q (со, х).

Если ввести функцию Q (со, х) в уравнения Сен-Венана и при­ равнять там же уклон свободной поверхности гидравлическому

где М — слабоменяющаяся безразмерная величина. При фиксиро­ ванном X выражение, стоящее в левой части уравнения (1.1), яв­ ляется постоянным. Отсюда вытекает смысл уравнения (1.1) как общей аналитической основы всех однозначных кривых расходов воды.

Там, где уравнение (1.1) удовлетворено, движение потока ква­ зиравномерное, и наносы всегда идут транзитом. Поэтому уравне­ ние (1.1) может рассматриваться так же, как условие устойчивости подвижных русел, обобщенное на случай неустановившегося дви­ жения потока.

Гидрометрические данные показывают, что безразмерная вели­ чина М несколько меняется от одного устойчивого участка к дру­ гому и от одной реки к другой. Однако в руслах с мелкозернистыми донными отложениями опытные значения М изменяются незначи­ тельно. Это открыло возможность нового подхода к расчету неук­ репленных каналов.

§ 1.3. СЛУЧАЙНЫЕ ФАКТОРЫ В РУСЛОВОМ ПРОЦЕССЕ

Теория руслового процесса устанавливает некоторые общие за­ коны развития и переформирований речных русел. Она выделяет преобладающие виды русел (меандрирующие, многорукавные и т. д.), а в них — повторяющиеся образования: побочни, перекаты, осередки, острова. Режим этих образований подчиняется, помимо общих законов руслового процесса, частным закономерностям, да­ леко еще не раскрытым. Опираясь на имеющиеся сведения, мы можем предвидеть ход руслового процесса на отдельных участках рек на срок до нескольких лет. Простейшие переформирования мы можем рассчитать. Однако те методы, которые существуют, и те, которые предстоит создать, никогда не помогут объяснить и тем более предсказать формы речных русел во всей их конкретности, скажем конфигурацию цепочки побочней или рисунок группы ме­ андр. Это объясняется тем, что русловой процесс есть сложное, многостороннее явление и на его ход влияет ряд факторов, в том

8

числе местных, которые с точки зрения общей направленности процесса представляются случайными. В формирование рельефа дна случайность вносится турбулентностью. Развитие крупных форм, таких как морфологические пары плёс—перекат, извилины и разветвления русла, подвергается воздействию случайностей со стороны колебаний стока, состава аллювия, вариаций рельефа ме­ стности и растительного покрова и т. д. Вследствие этого и сами формы русел с характеризующими их параметрами носят случай­ ный характер. Размеры и скорости перемещения рифелей, гряд, побочней, перекатов, извилин представляют собой случайные ве­ личины и должны описываться в статистических терминах.

Статистический подход к описанию крупных русловых форм

те же 1—2 порядка различаются и длины мелкомасштабных и крупномасштабных волн. Различие в скоростях перемещения еще больше.

Изменяемость русловых форм всех масштабов обусловлена са­ мой природой руслового процесса. Быстрее меняются малые формы, медленнее — крупные.

Таким образом, устойчивость возрастает с ростом масштабов, но никогда не делается полной. Устойчивость, о которой заботится инженер, всегда относительна — она может сохраняться лишь на участках ограниченной длины и в течение ограниченного времени. Это время будет тем больше, чем лучше данный участок «защи­ щен» от случайных воздействий любой природы. Прямолинейная плёсовая лощина с формой, близкой к цилиндрической, и незатоп­ ляемыми берегами, как показывает опыт, может сохраняться почти

9