Глава III. ВОДОХРАНИЛИЩА И РЕКИ

Глава III. ВОДОХРАНИЛИЩА И РЕКИ

С ЗАРЕГУЛИРОВАННЫМ СТОКОМ

Русловой режим водохранилищ

 

Русловой режим водохранилищ характеризуется тремя основными явлениями: аккумуляцией речных наносов в чаше водохранилища, деформацией берегов и дна водохранилища и заносимостью наносами входов в заливы и бухты.

Аккумуляция наносов происходит вследствие уменьшения скоростей течения при переходе от насыщенного наносами речного потока к водохранилищу с малыми скоростями течения. Так как по мере приближения к плотине скорости течения становятся равными нулю, практически весь сток наносов реки, который до постройки проходил вниз по течению, откладывается в чаше водохранилища. Таким образом, водохранилище постоянно заполняется наносами, особенно интенсивно весной, когда на реке наблюдается паводок.

У горной реки объем годового стока наносов может быть соизмерим с объемом самого водохранилища, и тогда аккумуляция наносов может угрожать самому существованию водоема. Для подавляющего большинства водохранилищ на равнинных реках процесс отложения наносов опасности не представляет, т.к. объем годового стока наносов у них составляет малую долю объема водохранилища. По ориентировочному расчету, для занесения мертвого объема Рыбинского водохранилища (емкостью около 8 км³) потребуется свыше 600 лет.

Однако на водохранилищах равнинных рек аккумуляция наносов происходит неравномерно по длине. В большом количестве отложение наносов наблюдается в верхней по течению зоне водохранилища, которую принято называть зоной переменного подпора. На остальной части водохранилища слой отложения наносов является незначительным.

При больших весенних расходах воды в этой зоне подпора от плотины почти не ощущается, а по мере спада половодья она попадает в подпор. Поэтому отложение наносов на перекатах этой зоны в период высоких уровней почти такое же, как и при естественном состоянии реки. Размыва отложений, однако, здесь не происходит, т.к. при более низких уровнях воды вследствие подпора транспортирующая способность резко уменьшается. В результате наносы на перекатах этой зоны из года в год накапливаются и гребни перекатов повышаются по сравнению с естественным режимом. Так, например, в верховой зоне Иваньковского водохранилища на р. Волге за последние годы эксплуатации произошло повышение гребней перекатов примерно на 1.5 м. На рис. 3.7 приведена схема распространения подпора воды в паводок и в межень на участке водохранилища.

 

 

Рис. 3.7. Отложение наносов на перекатах в зоне переменного подпора:

1, 2 – русловые границы участка выклинивания подпора в половодье;

3, 4 – то же, в межень

 

В этой зоне для обеспечения судоходных условий необходимо проводить дноуглубительные работы в больших объемах, чем на этих же перекатах в бытовом состоянии (до регулирования стока). Например, на Волжском направлении Самарского водохранилища объем дноуглубительных работ практически с нуля в первые годы появления подпора превысил 2 млн. м³ грунта через 14 лет. На Камском направлении этого водохранилища объем дноуглубительных работ достиг 2,5 млн. м³ грунта в год за этот же период времени.

На основе выполненных исследований на перекатах зоны переменного подпора Волжских водохранилищ Р.Д. Фролов установил взаимосвязь между объемами дноуглубительных работ и гарантированными глубинами судового хода в виде

                                     ,                                     (3.8)

(проверить)

где: W ₀ – исходный объем дноуглубительных работ, отвечающий первоначальной гарантированной глубине Т₀ до регулирования стока;

      T _з – измененная гарантированная глубина в условиях зарегулированного стока;

D T = T _з – T ₀ – приращение гарантированной глубины;

п – 1.6 ¸ 2.2 – эмпирический коэффициент.

 

Эта формула позволяет рассчитывать ожидаемые объемы дноуглубительных работ после создания водохранилища.

В первые голы эксплуатации водохранилищ происходит насыщение водой высоких коренных берегов, сцепление частиц грунта ослабляется и, под действием волнения, они начинают обрушаться. Разрушение берегов приводит к отступлению береговой линии и к формированию нового берегового профиля с пологим подводным откосом. Особенно сильные деформации происходят на участках, где берега сложены лессовыми грунтами. В первый год эксплуатации Каховского водохранилища р. Днепра на некоторых таких участках береговая линия отступила на 30-45 м, а по прошествии 4-х лет перемещение береговой линии достигло 90-100 м. Отступление береговой линии на несколько десятков метров нередко наблюдается и на участках, где берега сложены песчаным грунтом.

Переработка берегов идет особенно интенсивно в первые годы эксплуатации, а затем постепенно затухает. Период активной переработки берега занимает обычно от 5 до 10 лет, а для полной стабилизации берега требуется срок в 20-30 лет.

Характер переформирования сводится к следующему. Волны подмывают берег примерно на высоте нормального подпорного уровня воды (рис. 3.8).

 

 

Рис. 3.8. Переформирование берегового склона:

ace – профиль берега до затопления чаши водохранилища; abсde – после переработки волнением; В₁ – ширина пляжа; В₂ – отступление береговой линии

 

Надводный откос обрушивается, и большая часть грунта сползает вниз по береговому откосу в виде подводного пляжа. Процесс подмыва и обрушения берега прекращается тогда, когда ширина пляжа становится настолько большой, что разбитая волна, скатываясь по пляжу, теряет свою кинетическую энергию. Ширина подводного пляжа может быть определена по эмпирической формуле Максимчука, полученной по данным исследования на Днепровских водохранилищах в виде

                                     ,                                     (3.9)

где: h _в и l _в – параметры волны (высота и длина соответственно).

 

Иногда волны походят к берегу под некоторым острым углом. В этом случае происходит перекос фронта волны (рефракция), и образуется вдольбереговое течение водохранилища (рис. 3.9).

 

 

Рис. 3.9. Рефракция волн на береговой отмели:

1 – ось судового хода; 2 – подводный вал наносов

 

Скорости вдольберегового течения могут иметь порядок скоростей речного потока, т.е. достигать значения 1.0 м/с и более. Такие скорости достаточны для интенсивного перемещения донных частиц. Так как вода в волноприбойной зоне содержит очень много твердого материала во взвешенном состоянии, то вдольбереговое течение транспортирует большое количество наносов. Если на пути такого течения встречается устье залива, где дно резко понижается, поток теряет скорость и откладывает наносы. Поэтому после каждого сильного шторма в устье залива остается подводный вал наносов, иногда перекрывающий устье по всей его ширине. В тех заливах, где размещаются пристани и порты-убежища, эти наносы приходится удалять с помощью дноуглубительных снарядов. В заливах водохранилищ Волги и Днепра ежегодно извлекается более 1.0 млн. м³ грунта.

Глава III. ВОДОХРАНИЛИЩА И РЕКИ

С ЗАРЕГУЛИРОВАННЫМ СТОКОМ