и глубины на участке ниже плотины

 

Основными причинами изменения руслового процесса на участке ниже плотины являются:

1. Поступление в нижний бьеф реки осветленной (без наносов) воды, обладающей большой турбулентностью и избыточной кинетической энергией;

2. Увеличение подвижности данных отложений (наносов) при суточном и недельном регулировании стока;

3. Уменьшение расходов и скоростей течения весной во время паводка и их увеличение в межень.

На участке, примыкающем к плотине, наблюдается существенный размыв дна и берегов. При этом принято различать:

- общий размыв, который наблюдается на участке от створа плотины гидроузла и простирается вниз по течению на несколько десятков километров;

- местный размыв, сосредоточенный непосредственно у плотины.

Причиной общего размыва является задержка стока наносов водохранилищем. В створе гидроузла расход наносов практически равен нулю. По мере движения осветленного потока вниз по течению происходит размыв дна и постепенное насыщение его наносами. Размыв увеличивает глубины русла, а также крупность частиц на поверхности дна, т.к. в процессе размыва первыми уносятся мелкие фракции наносов. Поэтому размыв дна постепенно затухает, скорости течения приближаются к неразмывающим значениям.

В непосредственной близости от плотины наблюдается большой местный размыв, что обусловлено значительными скоростями течения потока, выходящего из отверстий турбин или переливающегося через водосбросные отверстия плотины. Начальный размыв дна нижнего бьефа обычно происходит еще во время строительства гидроузла – при стеснении потока строительными перемычками и при пропуске строительных расходов воды через плотину. Ямы местного размыва у многих крупных плотин, построенных на нескальных грунтах, имеют большую глубину 10-15 м от поверхности естественного дна. В нижнем бьефе Самарского гидроузла дно размыто местами на глубину 25-30 м.

Понижение дна нижнего бьефа, вызываемое общим и местным размывом, увеличивает средние глубины живых сечений, уменьшает, тем самым, русловые сопротивления и, в конечном итоге, приводит к понижению свободной поверхности потока (см. рис. 3.10).

При одном и том же расходе воды кривая свободной поверхности в размытом русле располагается ниже кривой свободной поверхности естественного режима. В створе гидроузла понижение уровня D Z _н.б может составлять 0.5-1.0 м и более. Поэтому отметка нижнего порога шлюза должна назначаться с учетом этого понижения уровня воды.

 

 

Рис. 3.10. Размыв дна в нижнем бьефе подпорного гидроузла:

1 – профили дна и свободной поверхности в естественном состоянии;

2 – то же, после размыва

 

На участке реки с зарегулированным стоком наблюдаются колебания расхода и уровней воды, вызванные суточным и недельным регулированием. Эти колебания особенно ощущаются непосредственно ниже плотины.

С удалением эти колебания затухают. Длина участка, где заметны суточные колебания, обычно составляют 50-70 км. Недельные колебания распространяются на расстояние 150-200 км.

Волны попусков суточного и недельного регулирования стока играют большую роль в русловом режиме нижних бьефов, особенно в первые годы эксплуатации гидроузла. Затем, по мере развития общего размыва, увеличения емкости русла и уменьшения уклонов, их влияние ослабевает. Скорости течения в лобовой части волны попусков могут быть в 2-3 раза больше скоростей невозмущенного (бытового) потока. В это время с лобовой частью волны попуска движется основная масса наносов. Несмотря на относительную кратковременность таких пиков, они приводят к общему усилению подвижности донных отложений и вызывают интенсивную заносимость судоходных прорезей. По данным В.А. Галкова после ввода в эксплуатацию гидроузлов на р. Волге и Днепре объем дноуглубительных работ по поддержанию судоходных условий на первых 10-15 км от плотины увеличился в 4-8 раз.

Большие скорости течения при распространении волн попусков и переменное заполнение емкости русла приводит к усилению размыва берегов. В результате русло расширяется, что также способствует снижению уровня воды. Высота волны попуска при суточном регулировании стока обычно составляет 1.5-1.8 м у плотины. При движении вниз по течению высота волны попуска существенно уменьшается, и на расстоянии около 25 км от плотины она обычно составляет 0.2-0.3 м. При этом в тыловой части волны преобладает намыв, а в лобовой части – размыв.

Годичное регулирование стока, осуществляемое с помощью небольших водохранилищ, вносит небольшое изменение в ход руслового процесса, хотя оказывает некоторое влияние на режим перекатов. Это происходит потому, что весной при годичном регулировании стока производится энергичный сброс воды через плотину с небольшим уменьшением максимальных расходов, а летом немного увеличиваются меженные расходы.

Многолетнее регулирование стока, для осуществления которого создаются большие водохранилища, может не только вызвать перестройку меженного русла, но и изменить тип руслового процесса. В этом случае сбросы воды через плотину происходят в немногие многоводные годы, большинство лет поддерживается беспаводочный режим, а летом расходы воды существенно увеличиваются. Если паводки после регулирования стока становятся редкими и непродолжительными с пониженной высотой уровней, то изменение руслового режима состоит, прежде всего, в прекращении пойменных деформаций. Образование и развитие рукавов, характерных для незавершенного меандрирования и для пойменной многорукавности, становится невозможным или в значительной степени замедляется. Если до многолетнего регулирования стока в реке был побочневый русловой режим, то может измениться шаг побочней, их размеры в плане и по высоте. Они становятся более вытянутыми в длину за счет смыва их подводной части (песчаной косы).

 

После регулирования стока такие русла становятся однорукавными со свободным меандрированием или с побочневым типом руслового процесса. Эти преобразования происходят медленно, для их завершения нужны десятки лет.

Снижение паводков приводит к существенным изменениям условий сопряжения зарегулированной реки с ее притоками. Для естественного состояния реки в весеннее время характерным является подпор рекой небольших притоков и взаимные подпоры при слиянии с крупными притоками.

Если паводок главной зарегулированной реки задержан водохранилищем, то паводки на приустьевых участках всех притоков проходят без подпора. Поскольку уровень воды на главной зарегулированной реке стоит относительно низко, то кривые свободной поверхности на приустьевых участках притоков принимают во время паводка форму кривых спада с увеличенными уклонами и большими скоростями течения. Поэтому на приустьевых участках притоков происходит размыв дна, который распространяется вверх по течению притока, а интенсивность его размыва постепенно ослабевает. Однако для полного затухания процесса нужны многие годы. Грунт, вымытый на притоках, поступает в главную реку и увеличивает там расход наносов. Главная зарегулированная река не всегда справляется с транспортированием поступивших наносов. В этом случае ниже устья притока формируются песчаные косы, побочни и осередки. Судовой ход искривляется и иногда на перекатах приходится разрабатывать дноуглубительные прорези для увеличения глубины судового хода (рис. 3.11).

 

 

Рис. 3.11. Размыв дна на приустьевом участке притока зарегулированной реки:

1-1 – профиль свободной поверхности перед началом половодья на притоке;

2-2 - профиль во время половодья; 3 – размыв

Крупные притоки не только несут в главную реку наносы, но и создают подпор на ней во время паводка, который может распространяться на несколько десятков километров. На участках подпора уровней скорости течения резко уменьшаются, создаются условия для общего заиления русла. Следовательно, может увеличиться объем дноуглубительных работ для поддержания нормальных судоходных условий.

Итак, при оценке судоходных условий на зарегулированных участках рек имеются две тенденции:

1. Редкая повторяемость паводков и снижение их высоты сильно уменьшает объем весенних отложений наносов на перекатах. Одновременно уменьшается размыв глубоких плесовых лощин. Следовательно, имеется тенденция к уменьшению различий в высоте дна плесов и перекатов, т.е. происходит т.н. канализация русла – выравнивание глубин по длине реки.

2. Высокие меженные уровни воды ограничивают размыв перекатов на спаде паводка и способствуют росту высоты песчаных гряд, что, в конечном счете, приводит к сохранению гребней перекатов на относительно высоких отметках. На участках с притоками перекаты могут пополняться наносами, выносимыми из этих притоков. Выше устья крупных притоков состояние перекатов несколько ухудшается вследствие подпора уровней главной реки (рис. 3.12).

 

 

Рис. 3.12. Отложение наносов на перекатах зарегулированной реки

выше устья крупного притока:

1-1 – профиль свободной поверхности перед началом половодья на притоке;

1-2 – во время половодья; 3 – отложение наносов

Таким образом, в общем случае приращение глубин D Т, не соответствует в точности приращению зарегулированных уровней D Н₃, т.е. существует неравенство   или . В зависимости от местных условий (количества перекатов, характера грунтов дна и берегов и количества притоков) может получиться, что приращение глубин больше, чем приращение зарегулированных уровней или наоборот.

Например, на нижнем Дону в условиях отсутствия крупных притоков (кроме Северского Донца) D Т_З» 1.3 D Н_З, если D Н_З=1.5 м, то D Т_З=2.0 м.

На Верхней Волге ниже Рыбинского водохранилища другая картина, а именно при приращении уровней D Н_З=1.0 м приращение глубин: D Т_З» 0.7 D Н_З, т.к. на этом участке зарегулированной реки имеется много притоков, выносящих большое количество наносов.