Миграция наносов и мутность воды

3.55. Миграция наносов на прибрежных склонах вследствие многообразия и нестационарности действующих факторов обусловлена различными условиями: топографическими, гидрологическими, геологическими и др.

Поэтому при расчетах мутности воды, миграции наносов, переработки берегов и прибрежных склонов в месте намечаемого размещения водозаборных сооружений по рекомендуемым ниже методикам необходимы инженерные изыскания, позволяющие вносить в них соответствующие коррективы.

3.56. Частицы грунта, слагающие берега и прибрежные склоны, в зависимости от их крупности, величин орбитальных скоростей и интенсивности течений могут находиться во взвешенном, полувзвешенном, влекомом и неподвижном состояниях.

3.57. Состояние частиц грунта на поверхности прибрежного склона определяется следующими факторами:

их средней крупностью, связностью и заложением прибрежного склона;

величинами и направлением (по отношению к орбитальным) скоростей течений, возбуждаемых волнением, в прибрежной зоне.

3.58. Механизм перемещения наносов зависит от их состояния, крупности, угла подхода луча волнения к прибрежному склону, величин скоростей течений, орбитального движения жидкости и ряда других факторов.

Наносы, находящиеся во взвешенном состоянии, независимо от направления и интенсивности волнения, глубин воды и других факторов транспортируются той или иной разновидностью течения.

3.59. При подходе луча волнения по нормали к прибойной зоне относительно прямолинейного прибрежного склона взвешенные наносы транспортируются преимущественно компенсационными, а затем плотностными течениями в придонном слое в сторону открытого водоема.

Вследствие предельного увеличения придонных орбитальных скоростей, а также волновых и компенсационных течений наиболее интенсивное повышение мутности происходит в зоне разрушения волн (рис. 38).

Рис. 38. Схема изменения мутности на прибрежном склоне, высоты и длины дамб, ограждающих подводящий канал водозабора

1 и 2 - мутность воды при высотах волн h» 0,9 и 1,6 м; 3 - длина и высота дамб, размещенных в пределах прибойной зоны; 4 - длина дамб, ограждающих канал с выходом за пределы прибойной зоны; 5 - то же, размещения в пределах этой зоны

Одновременно полувзвешенные и влекомые наносы вследствие асимметрии профиля волн или орбитальных скоростей на подходе к прибойным зонам перемещаются в сторону берега (см. рис. 29). В зонах разрушения из-за наличия интенсивного компенсационного течения в придонном слое эти наносы перемешиваются в обратном направлении. Такой механизм перемещения полувзвешенных и влекомых наносов способствует образованию подводных валов в условиях стационарных уровней и элементов волн, а также удержанию наиболее крупных частиц грунта в приурезовой зоне водоема (см. рис. 38).

3.60. При косом подходе волн к пологому прибрежному склону вся упомянутая разновидность наносов из-за совпадения направления их перемещения с ветроволновым течением более интенсивно перемещается к месту разрушения волн.

В месте разрушения эти наносы вдольбереговыми течениями перемещаются вдоль берега, а затем, в зависимости от местных условий, градиентными, инерционными и плотностными течениями - в сторону открытого водоема.

3.61. При одинаковой крупности и связности частиц грунта на мутность воды в прибрежной зоне, а вместе с ней и миграцию наносов большое влияние оказывают пологость волн и прибрежного склона, интенсивность их разрушения, относительная глубина - h / H и другие факторы. С увеличением крутизны прибрежного склона, относительной глубины, интенсивности разрушения и пологости волн мутность и миграция наносов при одной и той же их крупности увеличиваются (см. рис. 38).

3.62. Состояние частиц несвязного грунта на пологом прибрежном склоне от действия орбитальных придонных скоростей можно определить с помощью рис. 39.

Рис. 39. Начальные волновые скорости трогания и перемещения частиц грунта на горизонтальном и слабонаклонном дне

1 - кривая начальных скоростей трогания частиц грунта; 2 - кривая начальных скоростей поверхностного сплошного перемещения грунта; 3 - кривая скоростей массового перемещения верхнего слоя грунта

3.63. Среднюю мутность воды от i -той фракции наносов, слагающих ложе водоема или прибрежный склон в зонах действия неразрушающихся волн на избранной вертикали, можно определить с помощью графика (рис. 40) на глубине Н: , где r _i - содержание i -той фракции наносов (в долях единицы) в грунте ложа или склона; a - коэффициент, зависящий от величины придонной орбитальной скорости u_д; w - гидравлическая крупность фракции. Для наносов крупнее 0,01 мм a = 1. При более мелких наносах 0,35 м/с < u_д < 0,5 м/с a = 1,5; при u_д £ 0,35 м/с a = 2. В расчетах обычно учитывают не более трех наиболее характерных фракций. Суммарная мутность воды для п фракций определяется по формуле

.                                                                                   (83)

Рис. 40. График для определения средней мутности на вертикали

Гидравлическую крупность наносов определяют по табл. 9.

Таблица 9

Диаметр частиц, мм	Гидравлическая крупность частиц при различной температуре воды, °С
	5	10	15	20
0,01	0,0043	0,0049	0,0056	0,064
0,015	0,0099	0,0115	0,0132	0,0149
0,02	0,017	0,0198	0,0226	0,256
0,04	0,0705	0,082	0,093	0,106
0,06	0,159	0,184	0,212	0,239
0,08	0,282	0,324	0,377	0,424
0,1	0,441	0,512	0,588	0,663
0,12	0,635	0,737	0,847	0,956
0,15	0,99	1,13	1,325	1,49
0,2	1,545	1,711	1,876	2,042
0,4	3,785	3,95	4,116	4,292
0,6	6,025	6,191	6,356	6,522
0,8	8,265	8,431	8,596	8,762
1	10,505	10,671	10,836	11,002
1,2	12,745	12,911	13,076	13,242
1,5	16,105	16,221	16,436	16,602
2	19	19	19	19

3.64. Мутность воды в пределах прибойных зон определяется в первую очередь относительной глубиной h: H и интенсивностью разрушения волн (см. рис. 38). Для приурезовой зоны, прибрежный склон которой сложен из мелкозернистых грунтов, она может находиться в пределах

.                                                                       (84)

В зонах более раннего разрушения

,                                                                        (85)

где r₀ - средняя мутность воды на подходе к первому разрушению волн.

3.65. Распределение мутности на вертикалях прибрежного склона, сложенного преимущественно из мелкозернистых песков, можно определить с помощью табл. 10.

Таблица 10

z / H	0	0,2	0,4	0,6	0,7	0,8	0,9	0,95
	0,54	0,56	0,68	0,9	1,13	1,43	1,97	2,52

3.66. Ввиду многообразия факторов, определяющих интенсивность взмучивания воды в прибрежной зоне, наиболее достоверные сведения о ней можно получить с помощью инженерных изысканий. Для их обобщения и последующей экстраполяции можно построением графиков (рис. 41) по замеренным величинам `r на избранных вертикалях получить эпюры мутности воды по всей ширине прибрежного склона (см. рис. 38) для различной интенсивности волнения.

Рис. 41. График возможных изменений средней мутности воды в зависимости от высот волн заложения прибрежного склона и средней крупности грунта

1 - натура бухты Тавахи m = 50 - 200, d = 0,15; 2 - Сахалин, гравийно-галечниковый склон m» 30; 3 - в местах разрушения волн на склонах m > 50, d = 0,25; 4 - осреднение величины по зарубежным данным; 5 - Анапское побережье в зонах действия вновь образованных волн, d = 0,25

3.67. Расход наносов, транспортируемый той или иной разновидностью течения в пределах прибрежной отмели или перед намечаемыми инженерными сооружениями, можно определить по формуле

,                                                                             (86)

где F - площадь живого сечения зоны действия течения.

3.68. Суммарный вдольбереговой расход наносов вдоль прибрежного склона Q, м³/c, ориентировочно можно определить по формуле

.                                           (87)

3.69. Сток наносов, м³, за время t, сут, приближенно можно определить по формуле

.                                          (88)

3.70. Предельную ширину полосы ожидаемой переработки берега при заданном уровне воды в первом приближении можно определить по формуле

Sп = H ²/ K + H / m_n,                                                                           (89)

где Н - глубина размывающего воздействия волн определяется по графику (рис. 42).

Рис. 42. График для определения глубин размывающего действия волн

K = 20 m_nm ₀/(m_n - m ₀),                                                                        (90)

где m_n, m ₀ определяют по табл. 11.

Таблица 11

Вид грунта	Крупность частиц, мм	mn	m 0	Показатель h/ d устойчивости
Песок:
пылеватый	0,01-0,1	0,005	0,001	100
мелкий	0,1-0,25	0,03	0,005	70
средний	0,25-0,5	0,07	0,01	70
крупный	0,5-1	0,14	0,02	70
Гравий:
мелкий	1-2	0,19	0,03	45
средний	2-5	0,21	0,05	45
крупный	5-10	0,25	0,08	25
Галечник:
мелкий	10-20	0,3	0,1	11
средний	20-50	0,36	0,15	6
крупный	50-100	0,4	0,2	4

3.71. Время, в течение которого ожидается предельная переработка берега, можно определить по формуле

Т _п = 2 S _п/u_mах,                                                                               (91)

где u_max - максимальная скорость переработки относительно прямолинейного берега, м/год, определяется по формуле

;                                                                      (92)

где  - определяется по графику (рис. 43);

Рис. 43. График u_max = f (h, h _б)при высоте берега h _б < 2 м

1 - лесс; 2 - песок мелкозернистый; 3 - песок среднезернистый; 4 - суглинок; 5 - глина; 6 - песок крупнозернистый с валунами

К ¢ - коэффициент, зависящий от высоты берега над расчетным уровнем воды, определяют по табл. 12.

Таблица 12

H б - высота берегов	< 2	2-5	5-10	10-15
К ¢	1	0,8	0,6	0,4

3.72. Для мысов максимальная скорость переработки берега обычно в 1,5-2 раза больше, чем для относительно прямолинейного берега, или

S _п = (0,75-1) u_max Т _п.                                                                          (93)

3.73. Величину ожидаемой переработки берега за заданное число лет Т можно определить по формуле

S _Т = u_max Т (1-0,5 Т / Т _п).                                                                        (94)

3.74. Изложенная методика расчета не позволяет учесть всей совокупности местных условий избранного участка водоема. Поэтому при решении ответственных задач целесообразно изыскивать сведения по отступлению бровки берега на начальном этапе заполнения водоема с последующей корректировкой расчетных формул или построения графической взаимосвязи (рис. 44).

Рис. 44. График ожидаемой переработки берега

1 - расчетный; 2 - по материалам изысканий

Гидротермика водоемов

3.75. Водоемам обычно свойственна температурная стратификация воды по глубине. Она зависит от глубины и проточности водоема, ветроволновой активности на его поверхности, климатических условий и других факторов.

3.76. Плотность воды r в зависимости от ее температуры определяется по табл. 13.

Таблица 13

t, °С	r	t, °С	r	t, °С	r	t, °С	r
0	0,99987	10	0,99975	25	0,99712	60	0,98338
3	0,99999	12	0,99955	30	0,99576	70	0,97794
4	1	14	0,9993	35	0,99413	80	0,97194
5	0,99999	16	0,999	40	0,99235	90	0,96556
6	0,99997	18	0,99865	45	0,99037	100	0,95865
8	0,99989	20	0,99826	50	0,98820

3.77. При наличии волнения происходит нарушение температурной стратификации на глубину, величина которой определяется по формуле

,                                                           (95)

где Н _с - толщина слоя ветрового перемешивания; t ₁ и t ₂ - температуры воды поверхностного и придонного слоев; b - коэффициент объемного расширения воды; ` h - высота ветровой волны; ` с - фазовая скорость волны.

Правую часть уравнения (95), обозначенную через K ₀, можно получить с помощью рис. 45.

Рис. 45. График для определения глубины ветрового перемещения в зависимости от температурной стратификации и параметров ветрового волнения

В местах выхода сосредоточенных течений прибойной зоны в открытый водоем температурная стратификация обычно нарушается на всю глубину воды.

По мере ослабления ветра и волнения температурная стратификация восстанавливается.

3.78. В предледоставные периоды в прибрежных зонах вследствие слабого водообмена между прибойной зоной и открытой акваторией водоема, интенсивной аэрацией потока и других факторов происходит местное переохлаждение воды. При достижении нулевых температур воды местное переохлаждение ее в прибойных зонах (рис. 46) в первом приближении следует определять по формуле

,                              (96)

где K _p - коэффициент, учитывающий дополнительную теплоотдачу при разрушении волн (при 5 £ w £ 20 м/с K _р» 0,5); D l = l ₀ - l ₂ - разность между максимальной упругостью водяных паров при температуре поверхности воды (l ₀ при t» 0°С равно 6,1 мб) и абсолютной влажностью воздуха на высоте 2 м над поверхностью воды (D l обычно находится в пределах 2-4 мб);   - температура воздуха на высоте 2 м; w ₂ - скорость ветра на высоте 2 м над поверхностью воды; f (D t) - функция, учитывающая увеличение интенсивности испарения при положительной разности температур ветра-воздуха (табл. 14); S b _кр - суммарная ширина зон разрушения волн (см. рис. 46); С _р - удельная теплоемкость воды.

Рис. 46. Схема для расчета местного переохлаждения воды в прибойных зонах

Таблица 14