Тема 6: механізм переміщення донних наносів

План

1. Критичні швидкості потоку.

2. Транспортуюча здатність потоку.

3. Грядове (пасмове) переміщення донних наносів.

1. Частинки грунту, що лежать на дні починають переміщуватися під дією гідродинамічного тиску, що виникає при обтіканні їх потоком. Цей тиск можна розкласти на дві складові:

§ зсувну силу, яка паралельна дну і направлена за течією;

§ підйомну силу, яка направлена вверх.

До тих пір, поки підйомна сила не перевищить ваги частинки, остання під дією зсувної сили може переміщуватися по дну тільки ковзанням або перекочуванням. Таке переміщення наносів називають волочінням(тягненням) по дну. Встановлено, що вага частинок (m), що переміщуються по дну, пропорційна шостому ступеню швидкості течії (V):

. (1)

Це встановлений емпірично закон Ері. Він добре пояснює явище розмиву і переміщення наносів. Якщо швидкості потоків рівнинної та гірської річки приймемо, наприклад, у співвідношенні 1:4, то вага частинок, що переміщуються будуть знаходитися у співвідношенні 1:4⁶ (1:4096 г). Звідси, зрозуміло, чому рівнинні річки переміщують переважно тільки пісок, а гірські – крупні валуни.

Граничну швидкість потоку (V) при якій починається рух донних наносів, визначають за залежністю:

, (2)

де d – діаметр частинок в м; k – коефіцієнт пропорційності, який дорівнює ≈5,0.

Нижня гранична швидкість, при якій припиняється рух донних наносів визначається за рівнянням:

, (3)

де h – глибина потоку, м.

Користуючись цим співвідношенням можна за крупністю частинок в руслі річки визначати швидкості потоку, при яких ці наноси осіли. Маючи профіль водного перерізу потоку можна встановити величину витрати, що відповідає цій швидкості за формулою:

. (4)

Донні наноси, як відомо, можуть переміщуватися волочінням по дну, сальтацією та у вигляді донних гряд або руслових утворень. Однак, ці чіткі критерії, що визначають перехід з одної форми переміщення в іншу, фактично відсутні.

Незначна чисельність вихідної інформації про витрати донних наносів зумовила розробку великої кількості розрахункових формул на основі лабораторних досліджень. Їх понад 200.

Найбільше поширення в практиці розрахунків мають залежності, в яких визначальними параметрами є швидкість та глибина потоку. Це формули Г.І. Шамова, І.І. Леві та В.М. Гончарова.

2. Для вирішення практичних задач розрахунку замулення та розмивів русел значний інтерес представляє кількісна оцінка здатності потоку транспортувати наноси.

Транспортуючою здатністю потоку називається така гранична витрата наносів, зверх якої потік, за заданих гідравлічних характеристик не в змозі переміщувати твердий матеріал.

Серед існуючих формул найбільш поширеною є залежність Замаріна:

, (5)

Де q – транспортуюча здатність потоку, кг/м³; V – середні швидкості течії, м/с; R – гідравлічний радіус, м; i – гідравлічний похил потоку; w – середньозважена гідравлічна крупність завислих наносів, м/с; w₀ = w, якщо w ≥0,002 м/с і w₀ =0,002, якщо w ≤0,002 м/с.

Зміна транспортуючої здатності за довжиною потоку або в часі призводить до утворення надлишку наносів або до дефіциту насичення наносами потоку. Відповідно відбувається збільшення частки донних наносів та їх акумуляція. Якщо ж частка донних наносів зменшується, то виникає ерозія.

Насичення потоку наносами не може відбуватися моментально. Тому, з різким збільшенням швидкостей течії потік на деякій відстані має дефіцит насичення, який усувається за рахунок посиленого розмивання річища.

Інші поширені випадки виникнення дефіциту наносів в потоці пов’язані з різким збільшенням його водності під час паводків та повеней та скидами освітленої води в нижні б’єфи ГЕС.

3. Переміщення донних наносів переважно здійснюється у формі піщаних та гравійно-галькових гряд. Гряди(пасма) – це періодичні утворення, що зміщуються вниз за течією річок з різними швидкостями (рис.1). Основними розмірними показниками гряд є їх висота, довжина та крутизна. Параметри гряд залежать від таких показників як глибина, гідравлічна крупність, розміри частинок, швидкість течії, похилу, числа Фруда (Fr).

Рис.1. Основні елементи гряди:

1 – лобовий укіс; 2 – низовий укіс; 3 – гребінь; 4 – підвал’є (дно гряди);

5 – висота гряди; 6 – довжина гряди

Витрата наносів при донно-грядовій фазі їх переміщення визначається за залежністю:

, (6)

де α – коефіцієнт форми гряди (α =0,6 кг/м³); Δ_г – висота гряди в м; С_г – швидкість переміщення гряди, м/год або м/добу.

Встановлено, що швидкість переміщення піщаних гряд, що мають довжину 10-20 м, знаходиться в межах 0,5-1,3 м/добу, а швидкість переміщення гряд довжиною кілька десятків см становить 1-2 м/год.

В поздовжньому розрізі (вздовж за течією) гряди характеризуються верхнім пологим відкосом та більш крутим низовим відкосом (рис.2).

Рис.2. Схема переміщення нормальної гряди:

А) у спокійному потоці; Б) антидюни у бурхливому потоці

Рух частинок грунту в межах гряди здійснюється за такою схемою. Окремі частинки грунту верхнього шару, рухаючись по пологому верховому відкосу досягають гребеня гряди і відкладаються на низовому відкосі. В кожний момент часу в руслі приймають участь тільки частинки поверхневого шару грунту. Решту частинок, що складають гряду (пасмо) знаходяться в потоці до тих пір, поки в процесі розмиву верхнього відкосу, вони не будуть відслонені, тобто виявляться на поверхні. Цей процес переміщення гряд надає руху донних наносів періодичний характер.

Частинки грунту, осідаючи з потоку на дно, деякий час котяться по лобовому відкосу гряди до її гребеня, а потім звалюються по тиловому відкосу в підвалля і залишаються лежати без руху до зміщення гряди вниз за течією на повну довжину гряди, поки частка знову виявиться на поверхні. Такий характер руху частинок грунту в межах гряди безпосередньо пов’язнаний з розподілом швидкостей течії біля її поверхні. Спостереження показують, що на лобовому відкосі відбувається прискорення течії води з максимумом швидкості біля гребеня. В підваллі спостерігаються течії назустріч основній течії річки. Цим пояснюється відкладання на низовому відкосі частинок грунту, що змиваються з лобового відкосу.

Форма гряд залежить від швидкості потоку. Збірне поняття гряди застосовують для загальної характеристики обрисів руслових форм. При детальному вивченні розглядають кілька форм гряд, що утворюються по мірі зростання швидкості потоку та витрати донних наносів (виділила Н.С. Знаменська, 1977):

1. невеликі первинні плоскі гряди, профіль яких подібний до східців;

2. рифелі – це відносно дрібні гряди масового поширення, в річках вони проявляються у формі вторинних утворень на більш крупних грядах, крутизна велика і сягають 0,1-0,15;

3. перекошені гряди утворюються при подальшому зростанні швидкостей і характеризуються розвинутим рухом донних наносів;

4. круті гряди формуються як наступна стадія росту гряди при збільшення швидкості течії, їх крутизна менше 0,10;

5. гладка фаза розвитку гряди характерна для умов інтенсивного транспорту донних наносів у формі дуже пологих гряд або у вигляді насиченого наносами придонного шару;

6. антидюни - піщані гряди, що переміщуються вверх за течією, шляхом розмиву низового схилу гряди і намиву верхового. Наростання верхового схилу відбувається за рахунок відкладання наносів, які змиті з низового схилу вище розташованої гряди.