книги / Особенности проектирования мостовых переходов при различных типах руслового процесса
..pdfет всю ширину русла. В плане ленточная гряда обычно имеет дугообраз ную форму с выпуклостью, направленной вниз по течению (рис. 10, а).
В результате сползания гряд в любом створе реки наблюдается перио дическое изменение отметок дна. Эти отметки в каждом створе повышают ся тогда, когда на него надвигается низовая часть гряды, имеющая обычно крутой откос. После того, как через створ прошел гребень гряды, отметки дна начинают понижаться.
Механизм переформирования ленточных гряд зависит от фазы водно го режима реки [15]. При высоких половодьях сползание ленточной гряды может происходить как смещение всего морфологического образования. В меженный период оно может осуществляться и за счет отложения на низо вом откосе гряды тех наносов, которые приносятся более мелкими песча ными грядами, перемещающимися по поверхности ленточных. Это приво дит к тому, что ленточные гряды могут сползать не только во время поло водья, но и в межегшый период.
в
Рис.10. Русло при ленточно-грядовомтипе руслового процесса:
а - план; б - продольный профиль; в - совмещенные профили живых сечений по гребню (линия I) и по подвалью (линия П) гряды;
1 - средняя линия меженного русла; 2 - ленточная гряда; 3 - гребень гряды; 4 - подвапье гряды; 5 - бровки меженных берегов
21
Ленточные гряды обычно формируются на слабо извилистых и мало деформирующихся в плане участках русла. Коэффициент извилистости русла не превышает 1,2.
Для опознавания ленточно-грядового типа руслового процесса по аэрофотоснимкам, крупномасштабным картам и в натуре могут служить следующие отличительные признаки: 1) повороты русла совпадают с по воротами долины; 2) берега устойчивые (они хорошо задернованы и не имеют следов подмыва); 3) дно песчаное; в меженный период отчетливо просвечивают крупные гряды наносов; 4) поймы небольшие, ровные; на них отсутствуют протоки и староречья; 5) на аэрофотоснимках хорошо за метны крупные гряды наносов в русле.
Ленточно-грядовый тип руслового процесса характеризуют следую щие параметры (рис. 10):
1.Шаг гряды Аг , который представляет собой расстояние по средней линии русла между гребнями двух смежных гряд. Параметр Лг зависит от размеров стока донных наносов, их крупности, продольного уклона потока
иизвилистости речного русла.
2.Ширина меженного русла вр , представляющая собой расстояние
между бровками меженных берегов.
Я
3.Относительный шаг гряды —. Параметр — является довольно
устойчивой характеристикой. Обычно он равен 6-8.
4. Высота гряды Дг , равная разности отметок гребня гряды и наинизшей точки дна подвалья. Параметр Ар является менее устойчивой
характеристикой, чем параметр — . Высота гряды Аг обычно составляет
1,5-2,0 м, но может достигать 3,0 м и более. |
|
|
5. |
Средняя скорость перемещения ленточной гряды Сг , то есть ско |
|
рость смещения гребня гряды по течению реки. |
|
|
Скорость Су-мала по сравнению со скоростью движения воды в русле. |
||
Она может быть найдена по формуле В.Н.Гончарова [7,20] |
|
|
|
С г - т 3-. |
(1) |
где q - расход наносов, приходящийся на единицу ширины (на один метр) русла, м2/с;
Аг - высота гряды, м.
Скорость Сг может достигать 200-300 м/год.
Параметры Дг и Сг имеют максимальные значения во время паводка. В меженный период значения этих параметров заметно снижаются, то есть процесс сползания гряд несколько затухает.
22
Для определения параметров Лг и вр используются аэрофотоснимки
или крупномасштабные карты. Параметры Дг и Сг определяются на осно вании данных натурных наблюдений или гидравлическим расчетом.
В качестве примера реки, некоторые участки которой имеют ленточ- но-грядовый тип руслового процесса, можно привести р.Оку.
Вопросы для самопроверки
1.Что представляет собой ленточная гряда? Какую форму в плане она обычно имеет?
2.На каких участках рек формируются ленточные гряды?
3.Почему при .ленточно-1рядовом типе руслового процесса в любом створе реки происходит периодическое изменение отметок дна? Когда эти отметки повышаются, а когда понижаются?
4.Наблюдаются ли при ленточно-грядовом типе руслового процесса значительные плановые деформации берегов русла?
5.Какие отличительные признаки служат для опознавания ленточ- но-хрядового типа руслового процесса по аэрофотоснимкам, крупномас штабным картам и в натуре?
6.Какие особенности имеют поймы при этом типе руслового процес
са?
7.Какие параметры характеризуют ленточно-грядовый тип руслового процесса?
8.Что представляет собой шаг гряды? От каких факторов он зависит?
9.Что такое относительный шаг гряды? Каковы его численные значе
ния?
10.Что принято понимать под высотой гряды? Какие численные зна чения она имеет?
11.Какова средняя скорость перемещения ленточной гряды?
12.В какой период высота гряды и средняя скорость ее перемещения достигают максимальных значений?
13.Какие материалы используются для определения шага гряды и
ширины меженного русла?
14. Как определяются высота гряды и средняя скорость ее перемеще ния?4
4. ПОБОЧНЕВЫ Й ТИП РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА
При этом типе руслового процесса, характерном для крупных много водных рек с весенним или летним паводком, движение наносов происхо дит грядами, которые сползают вниз по течению. Как и в ленточно-грвдо-
23
вом типе руслового процесса, каждая гряда занимает всю ширину русла, но перемещение гряды во время паводка осуществляется так, что ее гре бень оказывается перекошенным-в плане (рис. 11,а). Это объясняется раз личной величиной скорости течения по ширине потока.
|
|
____ |
- |
|
-ГТТТТТТТТ 1 IT I 1 1 1 |
|
|
||
___^ |
— >■ |
A |
1 |
^ . |
|
** |
4 |
* у |
|
-rtf |
—r................ ттг:...1 |
|||
jj _ u a u 2 b J - i |
|
|
|
|
a
___________/ |
5 |
' • " ГТ1 M 1 |
1 1 n 1 IV ^U A I 11 ГГГ |
—* ** и.
***
—^
l'rfr ■1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I 1 ■ ■ M i l , , •
" 5
Рис.11. Русло при побочневом типе руслового процесса:
а- план в период паводка; б - план в меженный период;
в- совмещенные профили живых сечений створов I-I (линия I),
П-П (линия II) и Ш-Ш (линия III); 1 - средняя линия меженного русла; 2 -гребень переката; 3 - плесовая лощина; 4-побочень; 5 -бровки коренного русла; А, В, С - точки перегиба средней линии меженного русла
24
В меженный период каждая гряда, формировавшаяся во время павод ка, приостанавливает свое движение. При этом наиболее возвышенная часть гряды, примыкающая к берегу, обсыхает, образуя побочень (рис. 11,6). Та же часть гряды, которая остается затопленной в течение все го меженного периода, образует гребень переката, который постепенно срабатывается. Во время последующего паводка вся перекошенная гряда снова приходит в движение и постепенно сползает вниз по течению как одно целое морфологическое образование.
Вследствие перекоса гряд побочни располагаются в шахматном по рядке (рис. 11,6). Напротив побочня, у противоположного берега, где по верхностные струи под действием поперечной циркуляции опускаются на дно, образуется плесовая лощина.
Побочни легко можно обнаружить при визуальном обследовании ре ки, а также при рассмотрении аэрофотоснимков и крупномасштабных карт. Шахматное расположение побочней приводит к искривлению ме женного потока. Течение принимает характер переливания воды из одного плеса в другой через перекат. Благодаря извилистости меженного потока поперечная циркуляция поддерживается и при низких водах.
Поток, который в меженный период переливается через гребень пере ката, размывает его и переносит продукты размыва в плесовую лощину. Во время очередного паводка происходит размыв плеса и вынос продуктов размыва на участок расположения переката.
При побочневом типе руслового процесса существенных изменений плана коренных берегов русла и переформирований пойм не происходит. Но коренные берега являются менее устойчивыми, чем при ленточно-гря довом типе руслового процесса.
Изучением устойчивости речных русел побочневого типа занимались многие ученые (С.Т.Алтунин, М.А.Великанов, В.М.Лохтин, Н.А.Ржаницын и другие). Обобщенный критерий устойчивости таких русел предло
жил Н.А.Ржаницын. Этот критерий имеет следующий вид [40]:
|
|
JB6p |
(2) |
|
|
Р |
|
где d |
- средний диаметр частиц руслового аллювия, м; |
||
Вбр - |
ширина русла в его бровках, м (рис.11, б и в); |
||
Н бр - |
средняя глубина русла в бровках, м; |
|
|
I |
- продольный уклон водной поверхности. |
|
|
Чем больше величина Р, тем устойчивее побочневое русло. Для ус |
|||
тойчивых русел Р ^ 100, для среднеустойчивых |
10<Р<100, для неустойчи |
||
вых Р< 10. |
|
||
25
По данным Н.А.Рясаницына, очень устойчивое русло р.Волги на уча стке Рыбинск-Кострома характеризуется значениями / ’=240-280, а менее устойчивое русло р.Донэ на участке Лиски-Ростов имеет значение Р=20-40.
Приведем конкретный пример. Пусть требуется определить устойчи вость побочневого русла, имеющего следующие характеристики: средний диаметр частиц руслового аллювия <7=1,6 мм, ширину русла в его бровках В6р = 540 м, среднюю глубину русла в бровках Н бр = 4,25 м и продольный
уклон водной поверхности *=0,00065.
Для этого русла критерий устойчивости
p _ dB6P = 0,0016 >540
Hjpi 4,252 -0,00065
Получили 10<Р<100, следовательно, данное побочневое.русло отно сится к категории среднеустойчивых.
Побочни постепенно сползают вниз по течению. При этом они при крывают от размыва те участки берега, к которым в данный момент при мыкают. На тех же участках берега, где расположены плесовые лощины, наблюдается размыв. Это приводит к постепенному расширению русла. Если побочень, наступающий сверху, попадает на участок, где русло рас ширилось довольно сильно, то он уже не примыкает к берегу, а отходит от него. Побочень, отчлененный от берега, называется отгорженным. В ре зультате отхода побочня от берега образуется второй (спрямляющий) ру кав русла. Отгорженный побочень покрывается растительностью. При низких уровнях воды он превращается в остров между двумя рукавами русла. С течением времени спрямляющий рукав иногда становится глав ным меженным руслом, старая излучина заносится отложениями, отмирает и превращается в вытянутое вдоль по течению озеро; остров образует но вую, выдвинутую в русло береговую линию, которая опять сужает русло. Вслед за сужением русла вновь наступает период его расширения, то есть рассмотренный процесс повторяется. Поэтому побочневый тип руслового процесса иногда называется периодическим расширением русла.
В тех случаях, когда берега реки являются неразмываемыми или они искусственно укреплены, побочневый тип руслового процесса не сопро вождается периодическим расширением русла.
Рассматриваемый тип руслового процесса возникает тогда, когда вод ный поток оказывается неспособным перемещать донные наносы в форме одиночных ленточных гряд. Это может быть, во-первых, при достаточно обильном питании потока донными наносами и, во-вторых, тогда, когда транспорт донных наносов замедляется (например, в результате уменьше ния продольных уклонов потока).
Для опознавания побочневого типа руслового процесса по аэрофото снимкам, крупномасштабным картам и в натуре могут служить следующие 26
отличительные признаки: 1) извилистое меженное русло, расположенное в менее извилистых коренных берегах; 2) наличие расположенных в шах матном порядке побочней, обсыхающих в меженный период. В тех случа ях, когда побочневый тип руслового процесса сопровождается периодиче ским расширением русла, отличительными признаками его являются также обрывистые подмываемые берега русла и прошедшие отчленения побоч ней, оставляющие следы в виде слабо изогнутых или прямолинейных староречий на поймах.
Побочневый тип руслового процесса характеризуют следующие па раметры (рис. 11,6):
1.Шаг побочня Л„, который представляет собой расстояние между двумя смежными точками перегиба средней линии меженного русла.
2.Ширина меженного русла в р .
3.Ширина русла в его бровках Вбр.
4.Относительный шаг побочня — . Параметр — является довольно
в р |
6р |
устойчивой характеристикой. Обычно он равен 4-8.
5. Средняя скорость перемещения побочня С„, то есть скорость спол зания гребня гряды, образующей побочень, по течению реки. Параметр С„ зависит от крупности реки, устойчивости русла и изменяется от несколь ких десятков до нескольких сотен метров в год.
В табл.3[15] приведены значения средней скорости перемещения по бочней С„ для некоторых рек или их участков.
Для определения скорости С„ производят совмещение русловых съе мок разных лет. Если такие съемки отсутствуют, то для установления скорости С„ можно использовать обобщенный критерий устойчивости Н.А.Ржаницына Р. Выбирают реку-аналог, у которой имеются русловые съемки разных лет, а параметр Р примерно такой же, как и для данной ре-
При выборе реки-аналога необходимо иметь в виду, что устойчивость побочней и других русловых форм определяется не только грунтовыми и гидравлическими характеристиками, которые учитываются формулой (2), но и режимом жидкого и твердого стока (если паводочный период дли тельный и многопиковый, а объем донных наносов очень большой, то при прочих равных условиях интенсивность руслового процесса резко возрас тает).
На плесовых участках рек отношение —- = 2 - 4 , а на участках рас-
6Р
£
положения перекатов —— «1, то есть В6р « в (рис.11, б и в).
27
Для определения параметров Л„, вр и Вбр могут быть использованы
лоцманские карты или крупномасштабные съемки речного русла с изоба тами или горизонталями дна. Изобаты и горизонтали достаточно наглядно отражают формы побочней.
Побочневый тип руслового процесса наблюдается на многих реках СНГ. Кроме указанных выше рек (Амура, Волги, Камы и Оби), он встреча ется на Оке, Даугаве, Северной Двине и т.д.
Таблица 3 Значения средней скорости перемещения побочней С„
Река (перекат, побочень, участок) |
Скорость С„, м/год |
Амур |
200-600 |
Висла (среднее и нижнее течение) |
100 |
Волга: |
|
Аннаевский побочень у г.Самары |
150 |
Бекетовский перекат |
200 |
Верхне-Соленский перекат |
200 |
Купоросный перекат |
11 |
Нижне-Солодниковский перекат |
1000 |
Нижняя Волга |
50 |
Отрадненскйй перекат |
90 |
Побочень у с.Вязовая Грива |
110 |
Побочень о.Денежный |
200 |
Рязанский перекат |
40-520 |
Средняя Волга |
100 |
Участок г.Волгоград-г.Красноармейск |
170 |
Черноярский перекат |
185 |
Даугава (у г.Риги) |
12-60 |
Дунай |
200 |
Кама |
50-250 |
Обь (район г.Барнаула) |
100-900 |
Ока (верховья) |
50 |
Северная Двина |
50-250 |
Вопросы для самопроверки
1.На каких реках наблюдается побочневый тип руслового процесса?
2.Что представляет собой побочень? Как он образуется?
3.Как располагаются побочни по длине русла?
28
4.Что представляют собой перекат и плесовая лощина? Где образует ся плесовая лощина?
5.Почему при побочневом типе руслового процесса меженный поток является весьма извилистым?
6.Наблюдаются ли при побочневом типе руслового процесса значи тельные изменения плана коренных берегов русла и переформирования пойм?
7.Какой вид имеет обобщенный критерий устойчивости речных русел побочневого типа?
8.Какие численные значения имеет этот критерий для устойчивых, среднеустойчивых и неустойчивых русел?
9.Какой побочень называется отторженным?
10.Почему побочневмй тип руслового процесса называется также пе риодическим расширением русла?
11.Какие отличительные признаки служат для опознавания побочне вого типа руслового процесса по аэрофотоснимкам, крупномасштабным картам и в натуре?
12.Какие параметры характеризуют побочневый тип руслового про
цесса?
13.Что называется шагом побочня?
14.Что представляет собой относительный шаг побочня? Какие чис ленные значения он имеет?
15.От каких факторов зависит средняя скорость перемещения побоч ня? Каковы ее численные значения?
16.Как определяется средняя скорость перемещения побочня при на личии русловых съемок разных лет и при их отсутствии?
17.На основании каких материалов определяются шаг побочня, ши рина меженного русла и ширина русла в его бровках?
5.ОГРАНИЧЕННОЕ МЕАНДРИРОВАНИЕ
При этом типе руслового процесса основные переформирования русла заключаются в сползании слабо выраженных излучин по течению реки без существенных изменений их плановых очертаний и размеров, то есть рус ло перемещается как бы параллельно самому себе (рис.12). В процессе сползания излучин происходят деформации не только русла, но и поймы, благодаря чему между руслом и поймой осуществляется обмен наносами, который отсутствует при ленточно-грядовом и побочневом типах руслового процесса.
Ограниченное меандрирование развивается в тех случаях, когда русло реки стеснено склонами узких долин или уступами древних террас. В пла не русло имеет слабо извилистую форму, близкую к синусоидальной
29
(рисЛ2). Расстояние между вершинами смежных излучин - величина, сравнительно устойчивая для данной реки. Ширина поймы равна ширине пояса меандрирования, то есть расстоянию между линиями, проведенными через вершины правосторонних и левосторонних излучин.
При ограниченном меандрировании русло реки по своему строению несколько напоминает русла рек побочневого типа. В русле имеются пере кошенные гряды или побочни, которые сползают вниз по течению. Если скорость этого сползания мала и размеры твердого стока невелики, то по бочни зарастают и превращаются в пойменные массивы, примыкающие к бортам долины. Образование указанных пойменных массивов приводит к тому, что извилистость потока наблюдается не только в меженный период, как это имеет место при побочневом типе руслового процесса, но и в паво-
Рис.12. Ограниченное меандрирование:
а-план русла; б - совмещенные профили живых сечений
створов 1-1(линия I) и II - II (линия II); 1 - средняя линия мехсенного русла; 2 - гребень гряды; 3 - подмываемый берег; 4 - положение русла при сме щении излучин на Яи; 5 - границы пояса ограниченного меандрирования; Л, В, С - точки перегиба средней линии меженного русла
В связи с извилистостью потока во время паводка возникает интен сивная поперечная циркуляция, которая способствует отложению взве шенных наносов. Это приводит к дальнейшему росту пойменных масси30