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

Па Красноярском водохранилище при устье р. Бирюсы в первые годы экс­ плуатации существенных изменений пещер в известняках автором не уста­ новлено. Это объясняется их устойчивостью к растворению и волновой абра­

зии.

Карстовые процессы в условиях водохранилищ активизируются не только непосредственно на береговых обрывах, но и распространяются на большие расстояния в сторону водоразделов. В. С. Лукиным [105] установлена взаимо­ связь между уровенный режимом и численностью провалов у п. Полазна на Камском водохранилище (рис. 17). По мнению В. С. Лукина увеличение

Рис. 17. Влияние уровня Камского водохранилища на

численности провалов в последние годы обусловлено прежде всего обводнени­ ем глинистых отложений в кровле подземных пустот при колебаниях уровня воды. Слабоминерализованные воды при поступлении в массив расширяют

имеющиеся трещины и пустоты, являясь ведущим процессом в .образовании провалов.

Провалы на побережье водохранилищ могут быть в виде катастрофиче­ ских движений или медленных проседаний поверхности со скоростью 20 см/год в связи с вмыванием песчано-глинистых отложений в постепенно расширяющиеся трещины..

На побережье Куйбышевского водохранилища в пределах г. Казани ак­ тивизация карстовых процессов выразилась в образовании многочисленных провалов и проседаний поверхности земли. Скорость проседания земной по­ верхности до образования водохранилища изменялась от 2,7 до 12,4 мм/год, а во время его эксплуатации в среднем составила 13—18 мм/год [106].

Р азвитие обвально -абразионны х закарстованны х берегов

Обвально-абразионные из закарстованных берегов имеют наибольшее рас­ пространение и изучались в основном на Камском водохранилище. Эти бере­ га сложены легко растворимыми породами (гипсами и ангидритами), а также известняками, которые слагают берега Камского водохранилища в южной части (в Чусовском и Сылвинском разливах). Протяженность закарстованных берегов составляет 76 км или 8,8% длины береговой линии [26]. Обычно это крутые, часто отвесные обрывы, разбитые трещинами различного происхожде­ ния (тектонические, бортового отпора, отседания), по которым происходит развитие карста с образованием воронок и пещер.

У уреза воды на обрывах закарстованных берегов образуются волнопри­ бойные каминообразные ниши не только за счет механического воздействия волн, но и вследствие растворения горных пород. И. А. Печеркин различает каминообразные волноприбойные ниши, образовавшиеся при механическом воздействии волн и растворении в гипсах с прослойками некарстующихся пород, и ниши выщелачивания, образовавшиеся в массивных химически чистых гипсах и ангидритах за счет растворения.

Ниши протягиваются вдоль берега на десятки и сотни метров, высота над урезом достигает нескольких метров, а в глубь берега они распространяются на 4—8 м и более. Блоки нависших над нишей пород не выдерживают своего веса, падают к урезу, обычно разбиваются на мелкие глыбы или в виде тол­ стостенных блоков прислоняются к коренному берегу, а иногда отстоят от него

В развитии закарстованных берегов выделяются [26] три стадии: подго­ товки, обрушения и растворения. Эти стадии следует считать фазами, обра­ зующими цикл развития: смена их не приводит берег в другое состояние, профиль берега становится близким к исходному. В фазу подготовки образуют­ ся волноприбойные ниши и расширяются трещины бортового отпора. Делювий оседает в глубь трещин и создает дополнительное давление. Ориентировка тре­ щин, рвов, блоков и столбов отседания определяется тектонической трещинова­ тостью. Интенсивное растворение гипс-ангидритов у уреза воды вызывает

седания не превышают в поперечнике 3—4 м при длине 10—15 м и высоте 4—5 м. Форма блоков отседания разнообразная: столбообразная, грибовидная и др. В условиях волнения блоки сохраняются от 2—3 до 10—15 дней, а бо­ лее крупные сохраняются в течение всей навигации. В разрушении закарсто­ ванных берегов принимают участие все волны, так как отмель имеет неболь­ шие размеры или отсутствует.

Механизм процесса формирования абразионно-карстовых берегов сущест­ венно отличается от абразионных берегов. Большую роль играет растворение горных пород. Тенденция затухания переработки, характерная для абразион­ ных берегов по мере выработки отмели, на закарстованных берегах не вы­ ражена.

Формирование закарстованных берегов определяется не только абразией, но и проявлением карстовых процессов в широкой береговой полосе. На зна­ чительных участках, сложенных легкорастворимыми породами, ведущую роль получает не волновая абразия, а химическое растворение горных пород. Вместе

с тем на закарстованных участках, сложенных массивными слаборастворимы­ ми известняками, за время 3—4 года эксплуатации Красноярского водохра­ нилища автором не установлены существенные морфологические изменения берегов.

65

Г л а в a 111.

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ АККУМУЛЯТИВНЫХ БЕРЕГОВ АКВАТОРИИ ВОДОХРАНИЛИЩ

Аккумулятивные берега на акватории водохранилищ не получили широ­ кого развития, что связано с двумя причинами. Во-первых, большая часть бе­ регов водохранилищ (более 50—60%) являются приглубыми, так как в зоне

взаимодействия воды и берега оказались преимущественно крутые коренные склоны или уступы террас.

Другой причиной является то, что участки берегов с небольшими уклона­ ми, как правило, хорошо задернованы и покрыты растительностью, что обус­ ловливает их длительное устойчивое нейтральное состояние. На равнинных долинных водохранилищах в первые годы эксплуатации протяженность ней­ тральных субаэральных берегов нередко достигает 40% общей длины береговой линии. Впоследствии часть нейтральных берегов становится абразионными пли аккумулятивными.

Развитие аккумулятивных берегов происходит в тесной взаимосвязи с аб­ разионными берегами, представляя единые морфодинамические системы. Однако, такие системы возникают не сразу, а по мере стадиального развития абразионных берегов (см. гл. 11).

Вместе с тем, аккумулятивные берега имеют специфические особенности развития, которые следует рассмотреть в данной главе.

Пологие отмелые берега акватории водохранилищ с уклонами первичного рельефа менее 2—3° в зависимости от состава слагающих пород и при доста­ точном количестве наносов обычно получают аккумулятивное развитие. ..Песча­ ные и супесчаные берега подвергаются активной абразии при уклонах более 2°. Исследования развития отмелых берегов позволили установить, что ре­ шающим условием развития берега по аккумулятивному пути, наряду с ма­ лыми уклонами подводного рельефа является наличие на дне достаточно круп­ ных частиц, остающихся в береговой зоне при сильном волнении. Натурные наблюдения на большинстве водохранилищ СССР подтверждают эту законо­ мерность.

Особенно яркое подтверждение этого получено на левобережье Волгоград­ ского водохранилища на участках, сложенных хвалынскими глинами, у сел Новоникольское, Рахинка, Степано-Разинское, Бережновка, Молчановка и других (рис. 18, 19, но Л. В. Кокоулиной). Здесь на значительных участках образовалась широкая абразионная отмель с уклонами 1° и. менее. Процесс переформирования берега продолжается без заметной аккумуляции осадков, так как большая часть частиц отмучивается и выносится за пределы отмели.

Сравнительно быстро образование аккумулятивных форм происходит на берегах, сложенных песчаными отложениями. По данным К- О. Ланге [65], на западном берегу Цимлянского водохранилища в первые годы его эксплуа­ тации незакрепленные пески (Цимлянский песчаный массив) легко размыва­ лись с образованием пляжей, осложненных небольшими береговыми валами.' Наибольшая ширина надводной части пляжа осенью 1954 г. составляла 35 ж. Общий уклон пляжа был равен 1°15'. Ширина песчаных валов на его поверх­ ности колебалась от 0,5 до 2 ж, а высота от 3—5 до 10—-15 см.

Аналогичные аккумулятивные формы (пляжи и береговые валы) наблю­ дались на пологой поверхности первой надпойменной террасы у хут. ВерхнеРубежного на юго-восточном берегу Чирской акватории. Абразии подвергается уступ террасы, бровка которого погружена в воду на глубину 0,5—1 ж. Про­ дукты разрушения уступа террасы явились материалом наносов.

При весьма малых уклонах первичного рельефа (менее 1°) процесс раз­ вития берега вследствие гашения энергии волны на широком мелководье происходит очень медленно. Даже при благоприятном литологическом составе донных отложений и длительной эксплуатации водохранилища в береговой полосе отсутствуют заметные морфологические изменения.

68

говой линии максимального уровня воды образовался береговой вал, сложен­ ный стволами и ветвями деревьев. Между стволами деревьев наблюдались от­ дельные пятна песка. В других местах никаких аккумулятивных форм не было

[65].

Аналогичное развитие получил отмелый берег Красноярского водохрани­ лища выше пос. Краснотуранска, в районе пос. Абакан-Перевоз и др. Здесь также нет заметных следов аккумуляции. Местами здесь можно наблюдать небольшой аккумулятивный слой песков (до 2—3,5 см) с характерной волно­ вой рябью (рис. 20). г

Рис. 20. Волновая песчаная рябь на аккумулятивном берегу на Красноярском водохранилище.

Песчаная рябь создается при определенном волновом режиме, когда при­ донный турбулентный слой мал по сравнению с глубиной, а скорость волно­ вого потока не очень велика. На связном грунте рябь образоваться не может. Шаг грунтовой ряби связан с высотой расположения границы придонного тур­ булентного слоя и определяется величиной траектории движения частиц, пе­ редвигающихся путем сальтации вперед [55].

На пологих берегах, сложенных лессовидными суглинками, условия для образования аккумулятивных форм особенно неблагоприятны. Под воздейст­ вием волнения мелкоземистые частицы суглинков почти полностью переходят во взвешенное состояние я выносятся за пределы береговой зоны. В дальней­ шем по мере развития вдольбереговых потоков наносов может начаться про­ цесс формирования аккумулятивных форм. Мелкие взвешенные фракции в штилевую погоду осаждаются на поверхности подводного склона, заполняя понижения микрорельефа.

Стадии развития отмелых берегов водохранилищ рассматривались Б. А. Пышкиным [54]. Он выделяет аналогично морским берегам [33, 34] две разновидности профиля отмелых берегов: 1) с надводной террасой; 2) с бере­ говым валом (рис. 21).

Первая стадия отмелого берега первой разновидности начинается с обра­ зования надводной береговой террасы. Материал для создания террасы посту­ пает с размываемой полосы дна. По мере углубления дна интенсивность его размыва падает и наступает равновесие между объемом материала, подавае­

69

мого на береговую террасу, и объемом, расходуемым на истирание во врем« прибоя.

В последующие стадии потеря материала на истирание превышает его по­ дачу и терраса начинает подвергаться разрушению. Процесс разрушения тер­ расы, по мере измельчения разрушаемого материала и аккумулятивной части подводного склона, постепенно затухает, наступает стадия динамического рав­ новесия. В условиях водохранилищ эта стадия может сохраняться до измене­ ния эксплуатационного уровенного режима.

В)

Рис. 21: Стадии развития отмелых берегов водохранилищ

а —стадии развития профиля отмелого берега с надводной террасой; б—стадии развития профиля отмелого берега с береговым валом [54]:

/, //, / / / —стадии развития.

При значительной ширине отмелого берега переформирование его происхо­ дит одновременно путем образования подводной террасы и формирования

Формирование отмелого аккумулятивного берега акватории с образова­ нием подводных песчаных валов автор в течение ряда лет наблюдал на Крас­ ноярском водохранилище ниже пос. Лебяжье. Здесь берегом водохранилища является слабонаклонная площадка II надпойменной террасы р. Енисей, сложенная сверху супесями и ниже песками. Поверхность площадки сплошь

70

Участок имеет протяженность 1,4 км и расположен между двумя неболь­ шими заливами, являющимися непропусками вдольберегового потока наносов (рис. 22). Интенсивные абразионные процессы происходили на мыеовидных выступах у заливов. Ветровые волны достигали высоты 1,3—1,4 м при запад­ ных и северо-западных ветрах. После первого года (1970 г.) нормальной экс­

Рис. 22. Схема строения аккумулятивного берега

/ —абразионный уступ высотой 50—60 см, образованный при НПУ; 2 --абразион­

шие удлиненную форму. Эти пятна шириной до 4—5 м и длиной до 8—9 м имели сравнительно небольшую мощность песка, достигающую 5—6 см. После второго года нормальной эксплуатации водохранилища на отмели сформирова­ лись два четко выраженных подводных песчаных вала. Они сложены мелким и среднезернистым песком, имеющим слоистость, близкую к горизонтальной. Мощность прослоек песка от 1 до 1,5 см.

Первый подвотный вал, расположенный на мористой части отмели, имеет ширину 6—6,5 м и мощность песка 50—55 см. Внешний уклон его 248' и внутренний 0°40'.

Второй подводный песчаный вал имеет ширину 5,5 м и мощность песка 30—35 см. Внешний уклон 2°06' и внутренний —■1°40'.

Четкое выражение песчаных валов подчёркивается наличием между ними полосы .отмели с хорошо сохранившимся слоем чернозерной почвы. Между урезом НПУ и песчаным валом также прослеживается сохранившийся поч­ венный слой. Непосредственно у уреза НПУ образовался первичный песчаный пляж шириной до 6—8 м. Значительная часть (40%) материала для образова­ ния валов принесена с соседнего абразионного участка. Следовательно, иссле­ дуемый участок можно рассматривать в качестве примера отмелого аккумуля­ тивного берега с двумя подводными валами и надводной террасой, если полу­ чит дальнейшее развитие первичный песчаный пляж.

Анализ существующих теорий формирования подводных валов у морских берегов, выполненный В. В. Лонгиновьш [46], показал, что все работы в этом направлении можно объединить в восемь групп, отличающихся в основном освещением вопросов о механизме возникновения валов и происхождении сла­ гающего их материала. Наиболее обоснованными применительно к задачам настоящей работы представляются три группы работ. К первой относятся ра­ боты, в которых образование подводных валов рассматривается как результат выпадения песчаных наносов при встрече обратного потока, движущегося с пляжа с надвигающейся волной (Шипард, Магенс и др.).

71

V

Во второй группе (работах В. П. Зенковича) доказывается образование подводных валов при выработке профиля равновесия берега.

В. П. Зенкович (1946 г.) считал, что образование подводных валов про­ исходит при глубине моря, близкой к величине двойной высоты волны. Здесь при забурунивании волны ее наносодвижущая способность снижается, и часть наносов отлагается на дне. Одновременно с ростом вала происходит перемеще­ ние его к берегу. В дальнейшем береговой вал может выйти на поверхность и

считает, что формирование подводных валов связано с размывом дна мористее вала в результате роста прямой наносодвижущей способности волны с прибли­ жением ее к зоне разрушения.

В третьей группе работ обосновывается теория, вытекающая из представ­

В. В. Лонгинов на основе теории Фоольбрехта (1957 г.) доказывает, что перестройка профиля склона происходит вследствие асимметрии волновых дви­ жений в придонном слое,, роста волновых скоростей в придонном слое с при­ ближением ее к зоне разрушения волн. Асимметрия волновых скоростей обес-' печивает подачу наносов к берегу в нижней части склона, а йепрерывный рост

В. П. Зенковича и с элементами других теорий объединена в единую концеп­ цию.

Аналогично морским берегам формирование подводных валов на песча­ ных отмелых берегах водохранилищ происходит в связи с выработкой профиля динамического равновесия вследствие асимметрии волновых движений в при­ донном слое. Изменение волнового режима приводит к нарушению динами­ ческого равновесия, происходит перемещение валов. Передний склон возник­ шей подводной формы по мере роста подвергается воздействию волн, в ре­ зультате этого происходит перебрасывание материала на внутренний склон, обращенный в сторону берега. Такой процесс приводит к перемещению под­ водного вала в сторону берега и превращение его в надводный вал, а при­ соединение его к берегу — к образованию пересыпи. После присоединения вала к берегу образуется лагуна, эволюция которой происходит независимо от дей­ ствия волн и определяется речным стоком впадающих в нее рек и климати­ ческими условиями.

В. К- Леонтьев и О. К- Леонтьев [86, 87] установили следующие основные условия образования лагун: 1) относительная отмелость берега, обеспечивающая возможность накопления наносов в верхней части подводного берегового склона; 2) наличие достаточного количества наносного материала, поступающего со дна моря и со смежных участков берега; 3) исходная рас­ члененность береговой линии’ (наличие заливов и выступов берега или остро­ вов); 4) благоприятный волновой режим, обеспечивающий перемещение круп­ ных масс наносного материала вверх по склону или вдоль берега.

бары могут отчленять лагуны у относительно выравненных берегов: Отмечен­ ные условия образования лагун в условиях водохранилищ вполне реальны. Формирование лагунных берегов путем образования подводных валов и ба­ ров исследовалось А. В. Живаго (1954 г.) на Рыбинском водохранилище. На других водохранилищах аккумулятивные и, в частности, лагунные берега не получили широкого распространения. Это связано прежде всего с характе­ ром первичного рельефа. Соотношение первичного рельефа и уровня воды на большинстве долинных водохранилищ обусловило широкое распространение

приглубых берегов, где первичные «отмели» подвергаются интенсивной аб­ разии.

72

Г л а в а IV.

ВОДНО ГРАВИТАЦИОННЫЕ БЕРЕГА

Особенности развития водно-гравитационных берегов водохранилищ до последнего времени не исследовались. Впервые генетическая группа водно­ гравитационных берегов была выделена автором [109].

Водно-гравитационные берега развиваются в условиях практического от­ сутствия или очень слабого волнения на горных водохранилищах, на узких участках равнинных водохранилищ, в их заливах по долинам рек, где отсутст­ вуют вдольбереговые течения. К этой группе относятся обвально-плывунные и обвально-осыпные берега и характеризуются тем, что развитие склоновых процессов определяется колебаниями уровня воды в водохранилище.

В результате попеременного смачивания и осушения в зоне колебаний уровня происходит интенсивное выветривание, растворение и размокапие гор­ ных пород. Интенсивное развитие получают процессы оглинения блоков ко­ ренных пород в зоне попеременного смачивания и высыхания, которые при­ водят к нарушению устойчивости склонов. Эти процессы нельзя считать хими­ ческой абразией (но Г. А. Сафьянову, [103]), хотя она имеет проявление. На­ рушение устойчивости горных пород и склонов в целом происходит благодаря процессам, не свойственным химической абразии. Большое значение имеют взвешивание частичек горных пород при водонасыщении, процессы переноса частиц и глыб горных пород под влиянием силы тяжести вниз к основанию склона. Наличие процессов выветривания, взвешивания частичек горных по­ род, химической абразии и оглинения, а также проявление силы тяжести, по­ зволяет выделить эти берега в особую генетическую группу, не связанную в своем развитии с механической абразией.

§ 1. Развитие обвально-плывунных берегов

Обвально-плывунные берега не имеют большого распространения. Вместе с тем недоучет их развития в отдельных местах приносит большие ущербы народному хозяйству.

Развитие этих берегов определяется плывунными процессами, которые особенно интенсивно проявляются при попеременном водонасыщении и осу­ шении при колебаниях уровня водохранилища, при Сложении берегов песками или песчано-галечниковыми толщами значительной мощности ниже и выше уреза воды.

Оки и сложен аллювиальными мелкозернистыми песками мощностью более 40—50 м (рис. 23). В плане этот интенсивно обрушаемый берег представляет собой слабовогнутый амфитеатр длиной около 1,5 км. Высота надводног*

■ -

73

Гранулометрический состав песков, слагающих берег у п. .Артумей, сле­ дующий [73]:

По преобладающим фракциям пески следует считать тонкозернистыми пы­ леватыми.

Пористость песков в предельно рыхлом состоянии 49,3%. Коэффициент фильтрации 2 м/сут.

Характерно, что сразу вблизи у обрыва берега глубины от 6—7 до 10 м, а затем увеличиваются до 30 м и более, что не свойственно для абразионных берегов, имеющих абразионную отмель (рис. 23). Переформирование берега

Оцсстояше.м •<> f-'

Рис. 23. Поперечный профиль обвально-плывунного берега Братского водохранилища у п. Артумей

У—песок аллювиальный мелкозернистый пылеватый (Q ///)

здесь достигает очень большой величины. Бровка берега на этом участке от­ ступила с августа 1962 г. по март 1967 г. на 759 м. Линейная величина пере­ работки берега достигала 150 м в сутки, а за год до 435 м. При этом самые большие величины обрушения берега происходили в штилевую погоду. Про­ цесс переформирования происходит вследствие проявления многих процессов, но ведущим процессом является развитие плывуна. Плывунное состояние установлено на этом участке 10/1Х 1967 г. на глубине более 47 м и имело мощ­ ность 22,5 м. В связи с подъемом уровня воды подпор грунтовых вод уве­ личился, мощность плывуна по подсчетам В. М. Лащиловой увеличилась с 22,5 м до 59,3 м. Следовательно, интенсивное обрушение берега здесь в шти­ левую погоду обусловлено развитием плывуна. Кроме того, нарушению ус­ тойчивости берега способствует ветровое волнение и наличие на этом участке дрейфового течения преимущественно юго-восточного направления, вынося­ щего часть продуктов разрушения на другие участки водоема. Однако веду­ щими являются плывунные процессы.

Сущность плывунных процессов получает удовлетворительное объяснение с позиций фильтрационной теории, разработанной Н. Н. Масловым [ПО]. Согласно этой теории основной причиной нарушения устойчивости водонасы­ щенного песка является возникновение в нем восходящего фильтрационного потока с изменяющимся градиентом по глубине. Фильтрационный поток осо­ бенно интенсивен в период первоначального наполнения водохранилища, когда происходит постепенное повышение уровня воды. В результате проявления фильтрационного потока происходит переход частичек горных пород (песков, лессовидных супесей и при определенных условиях галечников) во взвешен­ ное состояние. При этом на проявление плывуна оказывает влияние вес над­ водной части откоса. Наблюдениями установлено, что интенсивные плывун­ ные процессы песчаных берегов происходят при достижении такого уровня воды, когда надводная часть берега не более 15—20 м. В связи с этим взве­ шивание частиц горной породы происходит в момент достижения равенства:

74