Русловые процессы и их типизация

Русло управляет потоком и формирует поле скоростей, а поток в свою очередь влияет на форму своего русла, производит размыв и намыв наносов, создает себе русло, отвечающее его скоростному полю. Такова диалектика взаимодействия потока и русла.

Русловой процесс – это изменение строения русла под действие силы текущей воды.

Русла обладают различной степенью устойчивости, которая в общем виде оценивается как отношение гидравлической крупностью наносов к уклону и глубине воды в русле. Под гидравлической крупностью частиц грунта понимается скорость их осаждения в воде. Она напрямую зависит от диаметра частиц.

Если в течение длительного времени, соизмеримого допустим со сроком службы ГТС, не происходит существенных деформаций русла, то такие русла называют устойчивыми, т.е. находящимся в динамическом равновесии.

Наиболее точно дать прогноз русловых деформаций, которые произойдут после, например, строительства плотины, моста или водозабора, можно на модельных установках в результате проведения экспериментальных исследований. Для крупных, ответственных сооружений такое моделирование считается целесообразным, несмотря на высокую их стоимость, т.к. это многократно окупается.

Что касается использования для прогнозов деформаций русла математического моделирования, способного заменить или дополнить физическое моделирование, то в настоящее время оно имеет место в случаях решения некоторых частных задач. Основная нерешенная проблема внедрения математического моделирования недостаточность данных для определения параметров моделей.

Для практических расчетов разработан ряд эмпирических и полуэмпирических формул, по которым определяют заиление водохранилищ, размывы русла под мостами и в нижнем бъефе ГЭС, у причальных стенок и т.д. Причем, эмпирические параметры этих формул определены по натурным данным, а теоретическая их основа – закономерности движения потока, уравнение баланса наносов, размывающая скорость и др. Некоторые из них вошли в нормативные документы по проектированию ГТС.

Деформация русла и поймы, возникающая вследствие взаимодействия различных факторов режима, стока, характера грунта дна русла и берегов, уклонов, строения долин и пр. обуславливают формирование различных типов русловых процессов.

В настоящее время принята и используется в практике проектирования ГТС типизация русловых процессов, основанная на гидроморфологической теории, разработанной в ГГИ. Предложено рассматривать 7 типов русловых процессов (рис.26).

Рис. 26. Типы руслового процесса и их основные измерители.

1 - ленточногрядовый тип (l_г - шаг ленточных гряд); 2 - побочневый тип

(l_пб - шаг побочней); 3 - ограниченное меандрирование (l_и - шаг излучины, a₀ - угол разворота излучины); 4 - свободное меандрирование (S _и - длина излучины, l_и - шаг излучины,a₁ - угол входа, a₂ - угол выхода, a₀=a₁+a₂); 5 - незавершенное меандрирование;

1а - русловая многорукавность; 5а - пойменная многорукавность.

Для каждого типа руслового процесса свойственно определенное сочетание или отношение ширины долины к ширины русла (от 2 для русел ленточно-грядового типа до 18 для русел с пойменной многорукавностью), а также соотношения их уклонов.

1. Ленточно-грядовый:

В русле происходит движение системы гряд, искривленных в плане под влиянием донных скоростей. Русло слабоизвилистое, движение гряд происходит при повышенной водности до 200…300 м в год. Шаг ленточных гряд равен в среднем 8 ширинам русла.

Створ МП рекомендуется располагать нормально к руслу. За период эксплуатации МП через его створ пройдет много гряд. Поэтому для расчета общего размыва подмостового русла необходимо иметь два характерных профиля живого сечения: по гребню гряды и по подвалью. По гребню принимают наименьшие глубины до размыва и наибольший коэффициент общего размыва. По подвалью – наибольшие глубины до размыва и наименьший коэффициент размыва. Плановые деформации берегов русла происходят весьма медленно, поэтому, при проектировании их не учитывают.

2. Побочневый:

Это тот же ленточно-грядовый, наблюдаемый в паводок. Гребни гряд (перекаты) перекошены от берега к берегу. Повышенная часть гряды в межень освобождается от воды, образуя песчаные побочни (пляжи).

Створ МП также располагается нормально, независимо от положения меженного русла. При проектировании необходимо учитывать движение побочней через МП. Для этого расчеты размыва ведут для трех профилей живого сечения. (1 – когда максимальная глубина распроложена у левого берега, 2 - когда у правого, 3 – когда перекат имеет наибольшую глубину). Струенаправляющие дамбы проектируют так, чтобы они обеспечивали бы по возможности наименьшие нарушения естественного РП и направляли бы пойменные потоки в пойменные части мостового отверстия. Причем, отверстие МП должно быть не меньше ширины его гланого русла.