Продольный профиль и устойчивость речного русла

Продольный профиль речного русла вырабатывается в результате взаимодействия потока и русла. Теоретически, при постоянстве внешних условий, вырабатывается предельная его форма – профиль равновесия. В этом случае действующие вдоль водного потока проекция силы тяжести и сила сопротивления уравновешиваются, и на более или менее протяженном участке размыв и отложение наносов равны между собой. Уклон в каждой точке такого профиля I₀ приближенно зависит от трех основных факторов: стока воды, характеризуемого средним многолетним расходом воды Q, средним содержанием в потоке наносов s, средней крупностью наносов, лежащих на дне, D

(3.50)

где, согласно [19], .

Подчеркнем, что формула (3.50) позволяет получать лишь качественные оценки. Поскольку расход воды увеличивается вниз по течению реки и входит в формулу (3.50) с отрицательной степенью, следовательно, при неизменной мутности потока и постоянстве диаметра зерен, уклон должен уменьшаться вниз по течению реки.

Увеличение стока воды, сопровождающееся уменьшением содержания в воде наносов, должно привести к увеличению крутиз­ны продольного профиля, что может произойти в результате врезания русла. Свидетельством врезания русел в былые много­водные периоды являются речные террасы. Уменьшение же стока воды и соответствующее уве­личение мутности должны привести к уменьшению крутизны про­дольного профиля и повышению отметок дна, что может иметь место лишь при отложении наносов.

Если уровень водоема, куда впадает река, например, уровень моря, увеличивается (т.е. повышается базис эрозии), то уклон реки уменьшается, скорости течения падают и начинается процесс отложения наносов и повышение отметок дна. В противном случае – поток начинает врезаться в подстилающие породы.

Однако, наблюдается случаи, когда при значительном падении уровня воды формирующаяся дельта вызывает подпор уровня на вышерасположенном участке. Уклон уменьшается, что приводит к локальному отложению наносов и повышению дна.

Необратимые русловые деформации происходят в зоне влияния плотин ГЭС (рис. 3.50).

В зоне водохранилища из-за падения скоростей течения наблюдается отложение наносов, т. е. заиление и занесе­ние ложа водохранилища.

В нижнем бьефе (ниже плоти­ны), в результате осаждения части наносов в водохранилище, расход наносов уменьшается по сравнению с бытовыми условиями. Это ведет к раз­мыву дна и понижению продольного профиля реки на участке ниже плотины. Так, непосред­ственно у плотины из-за высокой кинетической энергии потока располагается участок местного размыва, глуби­на которого иногда достигает десятков метров. Для предотвращения местного размыва предпринимаются меры по креплению дна реки. На более протяжен­ном участке ниже плотины отмечается общий размыв дна, который, по мере насыщения потока наносами, постепенно затуха­ет с удалением от плотины. Длина участка общего размыва может достигать сотен километров.

Рис. 3.50. Схема заиления и занесения верхнего бьефа и размыва нижнего бьефа гидроузла: 1–плотина; 2– уровень воды и дно реки до сооружения водохранилища; 3– тело заиления водохранилища мелкими наносами; 4– тело занесения водохранилища крупными наносами; 5– подпорный уровень воды (НПУ) в водохранилище после сооружения плотины; 6– то же, после заиления и занесения части водохранилища: 7–размыв русла в нижнем бьефе; 8– уровень воды в нижнем бьефе после размыва [19].

Степень устойчивости речного русла увеличивается при снижении скорости течения. Сопротивляемость русла размыву определяется также крупностью донных наносов, их связанностью, закрепляющим влиянием береговой растительности, а также мероприятиями по укреплению берега.

Одним из количественных показателей служит коэф­фициент устойчивости русла В. М. Лохтина

К_л = D/DH (3.51)

где D– крупность донных наносов, мм; DН –удельное падение уровня, м/км. В формуле Лохтина скорость течения характери­зуется величиной удельного падения уровня воды.

Устойчивые русла, в которых отсутствует постоянное движение наносов, име­ют К_л более 15–20. У относительно устойчивых русел с постоян­ным перемещением влекомых наносов К_л ~ 5. Наконец, у рек с не­устойчивым руслом и весьма подвижным дном К_л менее 1–2.

Высокой устойчивостью русел отличаются реки, донные отложения ко­торых представлены галечным, галечно-валунным и валунно-глыбовым материалом. И наоборот, наименее устойчивы речные русла, сложенные мелкопесча­ным материалом. На таких реках может наблю­даться дейгиш – быстрое разрушение берегов, например, р. Амударья с исключительно интенсивными русло­выми деформациями.