книги из ГПНТБ / Финаров Д.П. Динамика берегов и котловин водохранилищ гидроэлектростанций СССР

рактер, обусловленный развитием ветровых волн различного направления, а также разворотом фронта волны вследствие рефракции и дифракции.

В условиях водохранилищ процесс формирования берега может достиг­ нуть динамического равновесия, когда абразия надводного откоса практически прекращается. Однако это произойдет в условиях постоянного эксплуата­ ционного режима. При изменении режима эксплуатации, особенно уровениого режима в безледоставный период, динамическое равновесие будет нарушено. С. Л. Вендров [20] в развитии берегов и ложа водохранилищ выделяет пе­ риод неустановившегося режима развития и период установившегося разви­ тия. В период неустановившегося развития необратимые изменения домини­ руют над сезонными, а период установившегося режима характеризуется за­ туханием направленных изменений и преобладанием сезонных изменений. Он считает установившийся режим состоянием, близким к динамическому равно­ весию, приравнивая этот период к стадии развития установившегося режима.

Нельзя не отметить, что указанные подразделения носят временной и ре­ жимный характер, но не отражают смены самих форм рельефа. В связи с этим в основу геоморфологического анализа автором положена смена форм рельефа, их развитие, изменение берегов как результата сложного взаимо­ действия водной массы с берегом. При этом рассматривается взаимосвязанное изменение форм рельефа по профилю и в плановом отношении.

Анализ и сопоставление материалов натурных наблюдений различных ор­ ганизаций и личные исследования автора позволили установить стадиальный и циклический характер изменений формирующихся берегов водохранилищ [64].

В развитии приглубых абразионных берегов водохранилищ автором выделяются начальная стадия, связанная с периодом первоначального напол­ нения водохранилищ и три стадии во время нормальной эксплуатации водо­ хранилищ (рис. 1). Процесс формирования приглубых абразионных берегов завершается стадией динамического равновесия.

203 и глубинах больше Хгл/2 при сработке уровня в безледоставный период. На берегах с первичными уклонами менее 18—20° и при наличии достаточного материала продуктов абразии, остающихся у берега, развитие его происходит по абразионно-аккумулятивной стадии, минуя абразионную стадию.

При первичных уклонах 2—4—6° переформирование берегов, сложенных рыхлыми породами (суглинками, супесями, глинами и т. п.) происходит очень медленно. Поверхностный слой постепенно «слизывается» волновыми движе­

ниями без образования значительных волноприбойных ниш я абразионных обрывов.

В начальную стадию формирование берега происходит в условиях подъ­ ема уровня воды при первоначальном наполнении водохранилища, что опре­ деляет особенности взаимодействия водной массы и берега, характер ветро­ вого волнения, испытывающего интерференцию. Вместе с волнением большую роль играют процессы размокания и растворения.

Характер ветроволновой абразии в начальную стадию при прочих равных условиях определяется постепенным прерывистым или непрерывным повы­ шением уровня воды и особенностями волнения у приглубых берегов. При по­ вышении уровня воды в период наполнения водохранилища зона наиболее активного взаимодействия воды и берега постепенно перемещается вверх по профилю берега. Поэтому ветровые волны в это время не успевают вырабо­

тать более или менее значительную прибірежную береговую отмель, берег ос­ тается приглубым.

' Стадиальное развитие котловин водохранилищ рассмотре­ но в VIII главе.

20

Известно, что у приглубого берега (с уклоном более —45°) ветровые вол­ ны обычно отражаются, происходит интерференция отраженных и исходных (прогрессивных) волн. У берега образуются или правильные стоящие волны или толчея. Причем, длина волны остается постоянной и равной длине исход-

водная абразионная отмель, C,Q—подвижный аккумулятивный слой; I I - л аВ, b Ct f — профиль берега в стадию абразионно-аккумулятивной отмели и становления берега: А3-бровка берега, А2Аа-надводный откос, ВфСф —абразионно-аккумулятивная от­ мель, В ф - пляж, Са/ —откос отмели (спад глубин), (.’„Q,—подвижный аккумулятивный слой; III— профиль берега в стадию динамического равновесия: А3—бровка берега, А3й3-надводный откос, Вф,Сфх—береговая отмель, Вфі—пляж, СѴ,—откос отмели (спад глубин); f xg —шлейф: C3Qaподвижный аккумулятивный слой в состоя­

нии динамического равновесия.

ной волны, а высота заметно увеличивается по сравнению с высотой исходной волны. При правильной стоящей волне высота ее становится в два раза больше высоты исходной волны [54]. Значительное увеличение высоты волн и приглубых берегов, по-видимому, связано с резким изменением характера волновых движений, когда частички воды вынуждены изменить трохоидальные движения на эллиптические. При этом траектории частиц представляют собой эллипсы с большой вертикальной и малой горизонтальной осью.

Следовательно, у приглубых берегов в начальную стадию зона активного

нием высоты волн. Причем, процесс переработки берегов осуществляется не только в результате удара, обтекания и смыва горных пород ветровыми вол­ нами, но и размокания, растворения и других неволновых процессов, хотя ведущим остается ветроволновая абразия. В первое время у приглубых бере­ гов волны не могут производить какой-либо существенной сортировки обру­ шенного материала, у подножья берегового откоса происходит аккумуляция обрушенного материала, который лишь частично оказывается во взвешенном состоянии и выносится от берега. Осаждение обрушенного материала проис­

21

ходит вследствие проявления сил тяжести, формируется фация обвалыюосыпных отложений неволновой аккумуляции, имеющая падающую слоистость.

Новый берег в начальную стадию формирования состоит из надводного откоса и бенча. Узкая полоса бенча формируется при длительном сравни­ тельно стабильном стоянии уровня (1—1,5 мес.) или при очень плавном подъ­ еме и опускании. Характер первичной отмели зависит от состава пород сла­ гающих берега, а также характера и уклонов первичного рельефа.

Ударное абразивное действие обломочного материала в береговой зоне является весьма существенным в абразионном процессе, особенно для бе­ регов, сложенных коренными породами.

Исследованиями Г. А. Сафьянова [66] доказано, что непосредственное гид­ родинамическое давление волны недостаточно для разрушения коренных по­ род. Максимальное давление штормовых ветровых волн достигает 7 кгс/см2, а предел прочности песчаника составляет 740 кгс/см2, мрамора— 1020 кгс/см2, гранита— 1480 кгс/см2 и сиенита— 1960 кгс/см2. При достижении критической скорости абразии происходит разрушение горных пород путем ударения об­ ломков горных пород. Критическая разрушающая скорость соударения состав­ ляет для сиенита — 48, габбро и диабаза — 167,1, гранита— 112,4, сланца кри­ сталлического — 23,6, мрамора — 68,9, известняка — 37,5 и песчаника — 30,2 см/сек. Минимальный размер абразивных тел составляет 0,26—0,56 ж,и, что получено Г. А. Сафьяновым путем сопоставления объемов абразии при опре­ деленной крупности частиц. Толщина отделяемого при ударе слоя и объем удаляемого материала для критических скоростей абразии при радиусе ча­

ни в одном из известных методов прогнозов (44, 54, 67, 68], когда во время стояния промежуточных уровней в первоначальный период наполнения водо­ хранилищ линейная переработка берегов в некоторых местах достигает мак­ симальных величин. Так, например, на Каховском водохранилище за два года (1956 и 1957) первоначального наполнения отступание бровки берега у с. Ниж­ ний Рогачик составило 59 м, у с. Ушалки 34 м, у с. Капуловки 27 м, у с. По­ кровского 30 м и у с. Любимовки 32 м.

На Цимлянском водохранилище в первый год наполнения линейная пе­ реработка берегов составила у п. Хорошевского 38—40 м, у Приморского 18—22 м. у Цимлянского 35 м. На Новосибирском водохранилище за первые два года наполнения линейная переработка берегов составила у г. Старый Бердск 21 м, у с. Ельцовки 52 м. На Красноярском водохранилище в 1967 г. за время первоначального наполнения линейная переработка берегов у с. Куртак достигла 40—50 м. При этом надо иметь ввиду, что на некоторых водохранилищах период первоначального наполнения до отметки НПУ рас­ тягивается до 5—6 лет (Братское водохранилище).

22

Стадия абразионных отмелей и максимальных обрушений берегов проте­ кает в течение первых лет нормальной эксплуатации водохранилища. Абра­ зия и обрушение берегов в это время совершаются под воздействием еще почти совсем непогашенной энергии ветровых колебательных волн и волно­ прибойного потока, развивающихся в условиях колебаний уровня при напол­ нении и сработке водохранилища. Надводный откос обнаженный, обрывистый, пляж обычно еще отсутствует, отмель абразионная, сравнительно узкая. На отмелях у приглубых берегов преобладает поперечное движение наносов.

Г. А. Сафьянов [59] экспериментально установил, что вертикальная со­ ставляющая скорости и давления прибойного потока на приглубом берегу со­ поставима по величине, а иногда и значительно превышает горизонтальную составляющую скорости и давления прибойного потока.

Стадия абразионных отмелей и максимальных обрушений берегов наблю­ далась на большинстве водохранилищ СССР. Плановое строение береговой полосы оказывает решающее влияние на проявление стадиального характера формирования берегов. Наиболее четкое выражение эта стадия получает на мысовидных выступах, где имеются условия для наиболее активного размыва и миграций наносов. Участки берегов развиваются еще изолированно из-за отсутствия вдольбереговых. потоков наносов и преобладания поперечного движения наносов. Материалы многих исследований подтверждают выделение стадии абразионных отмелей и максимальных обрушений берегов.

Согласно данным К- О. Ланге [65], на Цимлянском водохранилище наибо­ лее четкое выражение стадия абразионных отмелей и максимальных обрушений берегов в первые годы его существования получила на северо-западном прнглубом береге в приплотипной части у хут. Потайновского. Береговой обрыв в зоне волноприбоя сложен плотными алевролитами и глинами, перекрытыми слабоцементированными разнозернистыми песками. Крутизна берегового склона до затопления составляла 45—50° (рис. 2). Максимальная высота вол­ ны достигала 2,5 м.

На профилях за 1952—1955 гг. четко выделяются небольшие абразионные отмели и абразионные обвальные обрывы, выработанные в толще коренных пород. На поверхности абразионных отмелей наносы отсутствуют. Основная масса продуктов разрушения коренного берега накапливается у основания

23

подводного склона. Мощность слоя донных осадков по мере удаления от бе­ рега постепенно .уменьшается и на расстоянии 0,5 км от берега осадки прак­ тически отсутствуют. Подвижный аккумулятивный слой на поверхности аб­ разионной отмели наблюдался только в 1954 г.

Ступенчатость и значительная крутизна отмели, связанная со значитель­ ной сработкой уровня, свидетельствует о неустойчивости отмели. Накопление осадков у основания склона даже при сработке уровня происходит без волно­ вого воздействия. По характеру сортировки и среднему диаметру частиц на­ носов еще нет закономерного их распределения в береговой зоне. Основание подводного склона продолжает оставаться зоной неволновой аккумуляции. Коэффициент сортировки частиц в пределах подводного склона от года к го­ ду испытывает значительные колебания. Это связано с тем, что при волне­ нии различной интенсивности материал переработки получается различной крупности. .

Менее четкое выражение получает стадия абразионной отмели на участ­ ках берегов с уклонами менее 18—20° и менее выраженным транзитом вдольбереговых наносов.

На Цимлянском водохранилище примером может быть юго-восточный бе­ рег в приплотинной части у хут. Кривского. Здесь первичная крутизна берега составляет 18—20°. Берег сложен нагавскими глинами; кривскими песками и перекрывающими их «скифскими глинами» и покровными суглинками. Склон был осложнен недеятельными древними оползнями. Высота волн не более 2 ж. Непосредственной абразии подвергалась толща нагавских глин и суглин­ ков.

На этом участке аккумуляция на внешнем крае отмели была выражена в первые годы эксплуатации водохранилища, но отличалась неустойчивостью от года к году. На поверхности абразионной части отмели у линии уреза еже­ годно накапливается песчано-гравийный материал, образующий узкий пляж. На этом участке также отсутствует четкая связь между крупностью частиц наносов и их сортировкой. Коэффициент сортировки пляжевых наносов не превышает 0,25. Пики кривой сортировки на профилях 1954 и 1955 гг. отра­ жают только высокую степень однородности коренных суглинков, слагающих бенч. Здесь происходила не аккумуляция наносов, а поверхностный размыв абразионной отмели.

Другим ярким примером является приглубый берег у пос. Каховка на Каховском водохранилище. Здесь несмотря на длительный период эксплуата­ ции водохранилища отмель остается абразионной (рис. 3, по Н. И. Благомыслову).

Особенно четкое проявление получила абразионная стадия в развитии приглубых берегов Красноярского водохранилища . Здесь в связи со значи­ тельным врезом долины Енисея берегами являются большей частью уступы высоких надпойменных террасе. При обследовании берегов в 1970—1973 гг. автором на акватории водохранилища у приглубых берегов нигде не были встречены значительные образования аккумулятивной части отмели вследст­ вие проявления волновой, абразии. 1 Отмели формируются абразионными сту­ пенями, отражающими стояние уровней при сработке водохранилища (см. рис. 33—41). Аккумулятивные накопления формируются при наиболее высоком стоянии уровня при наполнении водохранилища и отличаются эфемерностью в связи с передвижением подвижного аккумулятивного слоя вниз по отмели.

Сезонные изменения в формировании берегов отмечались многими иссле­ дователями. В. М. Широков [69] на Куйбышевском водохранилище, Л. Б. Иконников [70, 71] на Горьковском водохранилище, И. А. Печеркин [26] на Камском установили значительную долю обрушения берегов весной, когда еще отсутствует волнение. Для Куйбышевского водохранилища эта доля со­ ставляет 30—40% от суммарного обрушения в год.

В безледоставный период процессы переформирования берегов происходят вследствие проявления ветрбвого волнения, интенсивность которого связанаIV*

1 Подробнее о берегах Красноярского водохранилища в

VIII главе.

24

с длительностью стояния уровня на разных отметках. В конце весны и в на­ чале лета при высоком уровне происходит интенсивный размыв основания надводного откоса волнами, что вызывает обвалы, осыпи, осовы и проявления оползневых явлений. Переменное увлажнение и обсыхание пород в связи с колебаниями уровня способствует нарушению устойчивости склона.

Рис. 3. Высокий обвально-осыпной абразионный берег

уг. Каховка

/-лессовидная супесь; 2 - разнозернистые пески; 3-известняки.

Во второй половине лета в связи со снижением уровня волновая абразия надводного откоса почти полностью прекращается. В это время волнами раз­

мывается материал весеннего обрушения и переформировывается подводная часть отмели.

25

уровня на Куйбышевском, Каховском, Камском и других водохранилищах

[69, 72].

По мере выработки отмели и увеличении ее ширины уклоны отмели посте­ пенно ‘уменьшаются. Многие исследователи отмечают изменение уклонов от­ мелей в течение одного сезона на начало и конец безледоставного периода.

Приведенные данные характеризуют интенсивные процессы переформи­ рования отмелей в различных отложениях на начало и конец одного бе'зледоставного периода и показывают общую направленность уменьшения уклонов отмелей.

Наряду с уклонами отмели важным показателем приближения профиля к состоянию динамического равновесия является механический состав наносов А. В. Живаго (1954), К. О. Ланге (1960) и другие предложили для опре­

частиц и сортировка). Вместе с тем необходимо отметить, что существование аккумулятивных отложений на отмелях, особенно в стадии абразионных от­ мелей, весьма эфемерно. Они могут быть полностью уничтожены при сработке водохранилища в безледоставный период.

Поэтому более перспективным направлением следует считать исследова­ ние развития подвижного аккумулятивного слоя на отмели, представляющего собой наиболее динамичную форму рельефа. Наличие такого слоя отмечалось на морских берегах [33, 74, 75. 76, 77]. Однако эти исследователи не рассмат­ ривают подвижный аккумулятивный слой отмели как форму рельефа по ста­ диям развития. Образование и динамика подвижного аккумулятивного слоя на отмели водохранилищ объясняется следующим образом. На образовавшиеся отмели водохранилищ при высоких уровнях происходит интенсивное поступле­ ние материала обрушений берегов, который накапливается в виде аккумуля­ тивного слоя. При сработке уровня, которое, наиболее четко проявляется при сезонном регулировании стока, зона небольших глубин (от 3—4 до 1—2 ж) по­ степенно перемещается по всей ширине отмели. По мере движения этой зоны происходит наиболее интенсивное движение наносов. В движение приходят сначала самый поверхностный слой, а затем на глубинах от 2—3 до 0,5—1 м мощный слой наносов не только песчаных и супесчаных, но и галечников и не­ больших валунов.

Мощность подвижного аккумулятивного слоя определяется уклоном от-, мели, составом слагающих наносов, параметрами волнения, а также величи­ ной и характером колебания уровня. По мере сработки водохранилища про­ исходит - перемещение подвижного аккумулятивного слоя вниз по отмели и

26

27

первичному склону. Различный характер волнения приводит к полному или частичному перемещению подвижного аккумулятивного слоя.

При наполнении водохранилищ волноприбойная зона перемещается вверх по отмели, происходит интенсивный размыв отмели.

В стадию формирования абразионных отмелей гранулометрический со­ став пород, образующих подвижный аккумулятивный слой, определяется со­ ставом пород, слагающих размываемые берега. По мере роста ширины отмели сортированность подвижного аккумулятивного слоя увеличивается, его состав изменяется по мере передвижения вниз по отмели. Такое изменение грануло­ метрического состава подвижного аккумулятивного слоя автору удалось уста­ новить на Красноярском водохранилище. Здесь видно существенное измене­ ние гранулометрического состава подвижного аккумулятивного слоя (до со­ става супеси) по мере передвижения его вниз по отмели (рис. 4).

В стадию абразионных отмелей и максимальных обрушений берегов про­ исходит преимущественное движение подвижного аккумулятивного слоя вниз по склону вследствие значительной крутизны исходного рельефа. Аккумуля­ ция происходит в зоне неволнового воздействия, где несмотря на большие исходные уклоны происходит осаждение обрушенного материала.

При движении обратного волноприбойного потока захваченные им га­ лечники (или щебень) и валуны совершают значительную разрушительную ра­ боту. Интенсивному воздействию подвергается подножье уступа и отмель дви­ гающимися крупными обломочными частицами горных пород во взвешенном состояния путем сальтации и качения.

Для приглубых берегов , сложенных размываемыми породами, характерно фестончатое плановое строение. Можно наблюдать крупные фестоны I по­ рядка (200—300 м в диаметре) и в их пределах мелкие фестоны П порядка (7—10—12 м в диаметре). Образование фестонов связано с рефракцией и на­ личием неровностей береговой линии. В пределах крупных фестонов происхо­ дит разворот фронта волны и разрыв его на отдельные части. При дальней­ шей рефракции волн в пределах крупных фестонов при движении на отмели снова происходит разрыв фронта волн и дальнейший разворот. Вследствие замедления движения волиоприбойного потока в начале отмели и более значительных скоростей второй части его фронта происходит выработка мел­ ких фестонов II порядка.

В развитии приглубого фестончатого берега, сложенного размываемыми породами (суглинками, супесями и т. п.), автором выделяются три основные фазы, образующие цикл их развития.

I. Фаза расчленения берегов и зарождения фестонов характеризуется пе­ ременным поперечным движением прямого и обратного волноприбойного по­ тока. Зарождение фестонов начинается с образования ниш или размыва по трещинам. Расчленение берега сопровождается образованием вымоин и про­ моин по трещинам, абразионных котлов (округлых врезов в берег) и абра­ зионных останцев. Дальнейшее развитие берега приводит к образованию фе­ стонов округлой или овальной формы.

II. Фаза развития фестонов характеризуется полукруговыми движениями прямого волноприбойного потока и последующим образованием обратного потока. Движение обратного прибойного потока совершается обычно после полукруговых движений прямого потока вследствие фестончатого характера береговой линии и самой отмели. Против наиболее вогнутой части фестона происходит встреча двух ветвей прямого потока, которые, сливаясь вместе, образ>юг мощный обратный поток. Этот поток вследствие проявления силы тяжести совершает большую абразионную работу и выносит большую часть обломочного материала вниз по отмели. Поэтому наиболее крутая и затро­ нутая размывом оказывается часть отмели против наиболее вогнутой части фестона, а не у мысов (рис. 5).

Так, на Красноярском водохранилище на приглубом участке берега, сложенном легкими сѵглинками, заглубление отмели против наиболее вогну­ той части фестона отмели в 1970—1972 гг. были на 2—2,5 м больше, чем против мысов. Ширина абразионной отмели изменялась от 70—80 м против вогнутой

28

части фестона до 40—45 м у мысов. На рис. 6 видно строение отмели на этом участке при весенней сработке водохранилища. На переднем плане видны фе­ стоны на уступе отмели, на ее теле, а далее наиболее заглубленная и крутая часть отмели против вогнутой части фестона берега. Дальнейшее взаимодей­ ствие волноприбойного потока и берега определяется не только характером планового строения берега, образовавшимися фестонами и разделяющими их

чием продольного движения прямого волноприбойного потока. Движение его вдоль береговой линии происходит обычно уже в пределах двух или иногда трех фестонов. Обратный волноприбойный поток обычно наиболее четко про­ является в местах, где были мысы и сохранилась наиболее высокая часть от­

29