книги / Мостовые переходы

Впрямолинейном в плане русле, имеющем корытообразное по­ перечное сечение, при сравнительно небольшой величине отноше­ ния ширины русла к его глубине скорость течения воды мало из­ меняется по ширине потока. В этом случае гряда наносов по всей своей ширине смещается вниз по течению одинаково, поэтому гре­ бень гряды и находящееся за ней подвалье располагаются перпен­ дикулярно к берегам русла (рис. И.9). Такой вид движения гряд встречается на отдельных прямых участках некрупных равнинных рек, где берега русла сложены плотными трудноразмываемыми грунтами или закреплены растительностью.

Вбольшинстве случаев русла равнинных рек имеют криволи­ нейное извилистое очертание в плане, ширина руслового потока значительно превышает его глубину, а скорость течения заметно изменяется по ширине потока. В таких условиях разные участки гряды наносов по ширине реки смещаются вниз по течению неоди­

тание, высота грядй по ширине ее становится различной.

Наличие на дне косо расположенного к общему направлению движения потока выступа в виде гряды даже в прямолинейном русле Должно приводить к возникновению донного течения воды наискось к берегам русла. При этом, по условию неразрывности жидкости, в верхних слоях потока обязательно должно возникать течение в сторону, противоположную направлению донного течения, и, следовательно, создаваться замкнутая поперечная циркуляция воды. Складываясь с основным продольным течением, эта цирку­ ляция, а также циркуляция под действием центробежной силы на поворотах потока образуют винтовое движение жидкости, при ко­ тором наносы сносятся донными течениями то к одному, то к дру­ гому берегу. В результате у берегов русла формируются значи­ тельные скопления наносов — побочны, расположенные друг за другом в шахматном порядке (рис. 11.10). Каждая смежная пара побочней соединена между собой узкой и пониженной (по сравне­ нию с побочнями) частью гряды — перекатом. Напротив побочня, у противоположного вогнутого берега, на который набегают и опу­ скаются на дно поверхностные струи циркуляционного течения, происходит размыв дна, а иногда и берега, если он сложен легкоразмываемым грунтом. Таким образом, против побочня формиру­ ется плесовая лощина (рис. НЛО).

Во время высоких вод (паводка, половодья) побочни и перека­ ты между ними покрыты водой, скорость течения достаточно вели­ ка, происходит размыв плесовых лощин, выносимый грунт частич­ но откладывается на перекатах — они наращиваются.

При низком, меженном уровне воды побочни обнажаются, а пе­ рекаты остаются под водой. Поток воды, огибая побочни, приобре­ тает еще более извилистое очертание в плане, чем во время высокой воды, когда очертание потока определялось только кривизной бере­ гов коренного русла реки. Линия фарватера при межени также изви­ листая, она идет от одной плесовой лощины к другой, пересекая пе­

31

рекаты. Слой воды на перекате в меженный период небольшой из вышерасположенной глубокой плесовой лощины вода черег мелкий перекат переливается в следующую плесовую ложбину, ка* через водослив. Скорость течения на перекате по сравнению с глубо ким плесом выше, при этом происходит^ азмыв гребня переката v его понижение. Смываемый грунт откладывается у подножья по бочня, находящегося ниже по течению.

Наряду с рассмотренными периодическими деформациями рус ла, происходящими в течение года, на протяжении многих лет на блюдается постепенное смещение всей гряды (два смежных по бочня и перекат) вниз по течению (см. § II.3).

I

Рис. 11.10. Речное русло с побочнями:

1 — плесовая лощина; 2 — перекат; 3 — побочень

На равнинных реках с поймами, сложенными легкоразмываемыми мелкими песчаными и иловатыми грунтами, размыв вогну тых берегов русла развивается весьма интенсивно, кривизна руслг значительно увеличивается. Благодаря поперечной циркуляции воды, возникающей под действием центробежной силы в сильно ис кривленном русле, продукты размыва переносятся к противополож ному берегу и там откладываются, образуются отмели. Быстры? размыв вогнутого берега и отложения у выпуклого берега приво дят к увеличению кривизны и к тому, что излучины русла рек сс временем, в течение ряда лет смещаются по пойме в сторону во гнутого берега и вниз по течению (рис. 11.12). Такое русло называ

ют меандрирующим.

Если поток воды в реке чрезмерно насыщается наносами (на пример, на ее предгорном участке за счет продуктов эрозии с верх него горного участка), то расположение скоплений наносов в русле и их перемещение приобретают беспорядочный характер. Скопле ния наносов разбросаны отдельными островами, которые довольно быстро меняют свое положение в русле реки. Во время межеш

32

острова обсыхают, общий поток воды разбивается на отдельные протоки (см. рис. 11.16).

Кроме описанных типов деформаций речных русел, существуют их разновидности, особенно при меандрировании русел (см. § п.З). Встречаются также на реках смешанные формы деформации ру­

ность (тип VII). Осередковый тип руслового процесса в свою оче­ редь подразделяется на два подтипа: русловую многорукавность (тип Via) и блуждание русла (тип VI6).

I. Ленточногрядовый тип. При этом типе руслового процесса основные переформирования русла выражаются в перемещении (сползании) по нему ленточных гряд (см. рис. II.9). Ленточная гряда представляет собой крупное песчаное скопление наносов, ко­ торое занимает всю ширину русла. В плане ленточная гряда обычно имеет дугообразную форму с выпуклостью, направленной вниз по течению (см. рис. II.9, а). Ленточные гряды обычно формируются на слабо извилистых и мало деформирующихся в плане участках русла.

В результате сползания гряд в любом створе реки наблюдается периодическое изменение отметок дна. Эти отметки в каждом створе

зз

повышаются тогда, когда на него надвигается низовая часть гряды, имеющая обычно крутой откос. После того как через створ прошел гребень гряды, отметки дна начинают понижаться.

Высота гряды Дг, равная разности отметок гребня гряды и наинизшей точки дна подвалья, обычно составляет 1,5—2,0 м, но может достигать 3,0 м и более. Средняя‘скорость перемещения ленточной гряды Стдостигает иногда 200—300 м/год.

Величины Дг и Сг имеют максимальные значения во время па­ водка. В меженный период значения этих параметров заметно сни­

жаются.

II. Побочневый тип. При этом типе руслового процесса, харак­ терном для крупных многоводных рек с весенним или летним па­ водком, движение наносов происходит грядами, которые сползают вниз по течению. Каждая гряда занимает всю ширину русла, но перемещение гряды во время паводка осуществляется так, что ее гребень оказывается перекошенным в плане (см. рис. 11.10). Это объясняется различной величиной скорости течения по ширине по­

тока.

В меженный период каждая гряда, формировавшаяся во время паводка, приостанавливает свое движение, при этом наиболее воз­ вышенная часть гряды, примыкающая к берегу, обсыхает, обра­ зуя побочень. Та же часть гряды, которая остается затопленной в течение всего меженного периода, образует гребень переката, который постепенно срабатывается. Во время последующего па­ водка вся перекошенная гряда снова приходит в движение и по­ степенно сползает вниз по течению как одно целое.

Побочневый тип руслового процесса возникает тогда, когда водный поток оказывается неспособным перемещать донные наносы в форме одиночных ленточных гряд. Это может быть, во-первых, при достаточно обильном питании потока наносами и, во-вторых, тогда, когда транспорт донных наносов замедляется (например, в результате уменьшения продольных уклонов потока).

При побочневом типе руслового процесса существенных изме­ нений плана коренных берегов русла и переформирований пойм не происходит. Но коренные берега являются менее устойчивыми, чем при ленточногрядовом типе руслового процесса.

Побочни постепенно сползают вниз по течению. При этом они прикрывают от размыва те участки берега, к которым примыкают. На участках берега, где расположены плесовые лощины, наблюда­ ется размыв. Это приводит к постепенному расширению русла. Ес­ ли побочень, наступающий сверху* попадает на участок, где русло расширилось довольно сильно, то он уже не примыкает к берегу, а отходит от него. В результате этого образуется второй (спрям­ ляющий) рукав русла. При низких уровнях воды отторженный по­ бочень превращается в остров между двумя рукавами русла. С те­ чением времени спрямляющий рукав иногда становится главным меженным руслом, старая излучина заносится отложениями, отми­ рает и превращается в вытянутое вдоль по течению озеро; остров образует новую, выдвинутую в русло береговую линию, которая

34

опять сужает русло. Вслед за сужением русла вновь наступает период его расширения, т. е. рассмотренный процесс повторяется.

В тех случаях, когда берега реки являются неразмываемыми или они искусственно укреплены, побочневый тип руслового про­ цесса не сопровождается периодическим расширением русла.

Средняя скорость перемещения побочня вниз по течению зави­ сит от крупности реки и устойчивости русла; она изменяется от не­ скольких десятков до нескольких сотен метров в год.

На плесовых участках отношение Вбр/Ьр составляет 2—4, а на участках расположения перекатов Вбр«*&р.

III. Ограниченное меандрирование. При этом типе руслового процесса основные переформирования русла заключаются в спол­ зании слабо выраженных излучин по течению реки без существен­ ных изменений их плановых очертаний и размеров, т. е. русло пе­ ремещается как бы параллельно самому себе (рис. 11.11). В процес­ се сползания излучин происходит деформация не только русла, но и поймы, благодаря чему между руслом и поймой осуществляется обмен наносами, который отсутствует при ленточногрядовом и побочневом типах руслового процесса.

Ограниченное меандрирование развивается в тех случаях, ког­ да русло реки стеснено склонами узких долин или уступами древ­ них тер'рас. В плане русло имеет слабо извилистую форму, близкую к синусоидальной. В русле имеются перекошенные гряды, которые сползают вниз по течению. Если скорость этого сползания мала и размеры твердого стока невелики, то побочни зарастают и прев­ ращаются в пойменные массивы, примыкающие к бортам долины. Образование указанных пойменных массивов приводит к тому, что извилистость потока наблюдается не только в меженный период, но и в паводок. В связи с этим во время паводка возникает интен­ сивная поперечная циркуляция, которая способствует отложению взвешенных наносов и дальнейшему росту пойменных массивов. Однако сравнительно узкая долина с трудно размываемыми бере­ гами ограничивает развитие излучин. Пойменные массивы с вер­ ховой стороны размываются, а с низовой намываются. В резуль­ тате этого излучина сползает вниз по течению. Максимальные глу­ бины потока располагаются у подмываемого верхового берега пой­ менного массива.

Средняя скорость сползания излучин для средних и крупных рек составляет 6—15 м/год, а иногда и более.

IV. Свободное меандрирование. Этот тип руслового процесса наблюдается на сравнительно небольших равнинных реках, имею­ щих широкие поймы (ширина поймы значительно превышает ши­ рину пояса меандрирования). На рис. 11.12 представлен план сво­ бодно меандрирующей реки.

Характерная особенность свободного меандрирования, которая существенно отличает его от всех рассмотренных выше типов рус­ лового процесса, состоит в том, что здесь каждая излучина прохо­ дит определенный цикл развития. В начальный период, когда из­ лучины еще слабо выражены, они имеют в плане форму, близкую

к синусоиде. При этом излучины сползают вниз по течению подобно тому, как это наблюдается на реках с ограниченным меандрированием. Однако форма излучин постепенно изменяется, угол разворота а (рис. 11.11) увеличивается и, когда он достигает 120—150°, сполза­ ние излучин сменяется разворотом их вокруг точек, близких к точ­

кам перегиба средней линии

имеет в плане характерную серповидную форму (рис. 11.12). На спрямленном участке русла на­ чинается новый цикл образования излучин. Наличие на пойме боль­ шого количества стариц серповидной формы является отличитель­ ной особенностью рек со свободным меандрированием.

Важная особенность свободного меандрирования состоит в том,

36

что вследствие плановых переформирований русла происходит сме­ щение не только отдельных излучин, но и всего пояса меандрирования. Благодаря этому положение реки по отношению к оси ее доли­ ны со временем изменяется.

При свободном меандрировании максимальные глубины наблю­ даются у вогнутых берегов, а минимальные — на перекатах, кото­ рые соответствуют точкам перегиба двух смежных излучин. Если при ограниченном меандрировании в пределах каждой излучины располагается только один плес, то при свободном меандрирова­ нии в процессе развития излучины может произойти раздвоение

са наблюдается на реках, имеющих широкую, часто затопляемую и легко размываемую пойму. На таких реках излучина вначале развивается по типу свободного меандрирования, но до завершения излучиной полного цикла своего развития на пойме возникает спрямляющий проток (рис. 11.14). Развитие указанного протока обычно идет сравнительно медленно. На протяжении нескольких десятилетий главное русло может оставаться в излучине, но затем во время высокого многоводного паводка оно перемещается в спрямляющий проток. После того как главное русло перемести­ лось в спрямляющий проток, развитие излучины приостанавливает­

37

грядового или побочневого типа. После перемещения главного рус­ ла в спрямляющий проток последний начинает меандрировать (см. пунктирные линии 2 на рис. 11.14) до образования нового спрямле­ ния. Цикл развития излучины повторяется.

VI. Осередковый тип. При этом типе руслового процесса во вре­ мя паводка по широкому распластанному руслу перемещаются вниз по течению системы крупных разобщенных гряд. Перемещение их беспорядочное. Возвышенные части гряд в течение меженного пе­ риода обсыхают и превращаются в осередки, между которыми рас­ полагаются извилистые протоки. Обсохшие части прибереговых гряд образуют побочни, которые в отличие от побочневого типа руслового процесса размещаются не в шахматном порядке, а бес­ порядочно.

Р и с . 1 1 .1 5 . Р у с л о в а я м н о г о р у к а в н о с т ь :

/ — бровки коренного русла; 2 — закрепленный остров-осередок

Осередковый тип руслового процесса возникает в тех случаях, когда водный поток переносит очень большое количество наносов (например, в результате резкого уменьшения продольного уклона русла, повышенного поступления наносов, увеличения их круп­ ности) .

Осередковый тип руслового процесса подразделяют на два под­

жившаяся из-под воды и обсохшая поверхность осередков интен­ сивно зарастает и закрепляется. В результате этого создаются весьма благоприятные условия для отложения наносов на поверх­ ности осередков во время прохождения очередного паводка. По­ степенно осередки превращаются в острова, имеющие характерную каплевидную форму (рис. 11.15). Протоки, которые образуются между островами, могут развиваться по разным схемам. Например, в протоках, у которых подвижность и сток донных наносов достатбчно велики, может развиваться ленточногрядовой или побочневый тип руслового процесса, в других протоках может осуществ­ ляться процесс меандрирования.

38

В конечном итоге при осередковом русловом процессе первого подтипа происходит образование многорукавного русла, поэтому рассматриваемый подтип называют русловой многорукавностью. Русловые деформации для данного подтипа определяют в соответ­ ствии с типом руслового процесса, который имеет место в каждом рукаве.

Русловая многорукавность часто наблюдается на нижних уча­ стках равнинных рек, где вследствие уменьшения продольного уклона русла и скоростей течения происходит перегрузка русла наносами, которые поступают с вышележащих участков реки.

Р и с . 11 .16 . Б л у ж д а н и е р у с л а :

/— осередок; 2 — протока; 3 — границы зоны блуждания

2.При сравнительно кратковременной межени и большой про­ должительности паводочного периода поверхность осередков не успевает покрыться растительностью. Осередки, лишенные расти­ тельности, очень подвижны. Скорость их перемещения изменяется от нескольких сотен метров до нескольких километров в год. В ме­ женный период русло реки разбивается на протоки, расположенные между обсохшими осередками (рис. 11.16). Поймы отсутствуют.

Во время паводка поток занимает всю ширину распластанного рус­ ла. Стрежень потока сравнительно быстро перемещается от одного берега к другому, поэтому такой подтип называют блужданием рус­ ла. Широкая зона, в пределах которой разбитое на протоки русло свободно блуждает, называется зоной блуждания. Окружающая эту зону равнина иногда имеет отметки более низкие, чем отметки русла; тем не менее она не является поймой, так как во время павод­

ка поток проходит только в пределах зоны блуждания. Блуждаю­ щие русла свойственны предгорным участкам рек.

VII. Пойменная многорукавность. Этот тип руслового процесса представляет собой дальнейшее развитие незавершенного меандрирования, когда на широкой пойме реки образуется сеть длинных

39

относительно устойчивых протоков, действующих в меженный пе­ риод (рис. 11.17). Иногда бывает трудно выделить главное русло, роль которого периодически может переходить к тому или иному протоку. Между протоками располагаются устойчивые острова, представляющие собой отдельные большие участки поймы.

Пойменная многорукавноеть развивается^в^условиях частого, глубокого и длительного затопления поймы. Она возникает в ре­ зультате повторных спрямлений русел, медленного отмирания спрямляющих излучин и развития спрямляющих рукавов.

При оценке деформаций дна и берегов каждый спрямляющий проток большой протяженности рассматривается как самостоятель­ ное русло, которое может иметь любой из описанных выше типов руслового процесса в зависимости от конкретных местных условий.

Следует заметить, что одна и та же река на разных участках может иметь различные типы руслового процесса. Так, например, на р. Оке участки с побочневым типом руслового процесса непос­ редственно сменяют участки, где наблюдается перемещение лен­ точных гряд. Появление побочней связано со значительным уве­ личением водности реки и количества наносов в результате впаде­ ния в р. Оку крупного притока — р. Угры. На тех участках, где долина р. Оки имеет сужения, наблюдается ограниченное меандрйрование. На многих участках реки, где пойма достигает боль­ шой ширины, происходит свободное меандрирование. Наконец, име­ ются и такие участки, на которых русловой процесс осуществляет­ ся по типу незавершенного меандрирования.

40