§ 29. ГИДРОЛОГО-МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА И ЕЕ
ПРИМЕНЕНИЕ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
Дождевые и талые воды смывают с поверхности бассейнов в речную сеть
продукты разрушения горных пород, которые вместе с продуктами размыва
русла в виде сыпучих минеральных частиц образуют речные наносы. Наносы
перемещаются водным потоком от истоков к устьям рек, откладываются и
вновь размываются, пополняются наносами притоков, меняют крупность и
заканчивают свой путь в водоемах — базисах эрозии речной системы.
Поэтому в естественных руслах сток имеет две фазы — жидкую (воду) и
твердую (наносы). Речные наносы в зависимости от характера их движения в
потоке можно разделить на донные и взвешенные. Однако такое деление
условно, поскольку частица данной крупности при различных гидравлических
характеристиках потока будет находиться во взвешенном состоянии или
будет перекатываться по дну. В. Н. Гончаров [35] рассматривает движение
твердой фазы потока в виде некоторой эпюры мутности, характеризуемой
весовым содержанием твердой фазы в потоке. Наибольшая концентрация
наносов соответствует придонному слою, а наименьшая — некоторой высоте
от дна, называемой «потолком взвешивания». Механизм взвешивания твердых
частиц потока связан с его турбулентностью: когда донная скорость
превысит скорость, не сдвигающую для данной крупности наносов, на
частицу, выведенную из состояния покоя, начинают действовать подъемные
пульсационные силы, с увеличением которых все большее количество частиц
проникает в толщу потока.
С изменениями скоростного поля потока меняется его мутность и происходит
взаимообмен между взвешенными и влекомыми по дну наносами. Предельное
содержание наносов (кг/м3) или их предельный расход (кг/сек), которые
поток способен транспортировать при данных гидравлических
характеристиках, называется транспортирующей способностью потока. В. Н.
Гончаров делит речные наносы на русловые и нерусловые. Если к данному
сечению потока поступает расход наносов q, меньший транспортирующей
способности 9т, то поток будет размывать русло; обратное отношение этих
величин будет приводить к аккумуляции наносов.
В естественных потоках почти всегда q<>qт, что
неизбежно вызывает периодические отложения и размывы русла. Крупность
размытых или отложенных потоком фракций грунта будет соответствовать
крупности русловых наносов; частицы меньших размеров будут нерусловыми,
поскольку их транспорт не вызывает деформации русла. Однако и такое
деление условно вследствие взаимообмена между русловыми и нерусловыми
наносами и участия «нерусловых» франций в формировании пойм.
В речных руслах при скоростях течения, превышающих неразмывающие,
транспорт русловых наносов, как правило, осуществляется в форме
движущихся по дну гряд.
Частицы наносов, перемещаясь по гряде и пройдя гребень ее, попадают в
водоворотную зону подвалья (рис. VII-1), где останавливаются; эти
частицы вновь начнут двигаться, когда гряда переместится на свою длину.
Русловым процессом называются постоянно происходящие изменения
морфологического строения русла и пойм в результате взаимодействия
водного потока, транспортирующего наносы, и русла, сложенного этими
наносами. Размывы и отложения являются обратимыми процессами, наряду с
которыми возможны и медленные необратимые процессы эрозионного или
аккумулятивного характера, как, например, выработка продольного профиля
горного потока или поднятие устьевых участков рек.
Вследствие руслового процесса плановые очертания и глубины речного
русла, зафиксированные съемкой во время изысканий мостового перехода, в
процессе эксплуатации его оказываются иными. Эти будущие формы речного
русла заставят опоры моста, струенаправляющие дамбы и пойменные насыпи
работать при пропуске расчетного паводка в условиях, иногда резко
отличных от условий, существовавших во время проектирования перехода.
Поэтому в проекте необходимо дать прогноз наиболее невыгодных русловых
условий, при которых будут работать сооружения мостового перехода.
Теорией руслового процесса, начиная с В. М. Лохтина (1898 г.) и О. Фарга
(1908 г.), занимались многие исследователи, разрабатывая морфологическую
и гидравлическую стороны вопроса.
Однако имеющиеся гидравлические методы расчета вследствие сложной
кинематической структуры речного потока с нестабильным руслом
используются для расчета локальных деформаций русла у гидротехнических
сооружений. Прогнозы русловых деформаций во времени на участке реки
могут быть выполнены только с учетом генезиса тех русловых форм, с
которыми столкнулся изыскатель при трассировании перехода; при этом
гидравлические методы могут быть использованы как вспомогательный
аппарат.
В Государственном гидрологическом институте (ГГИ) за последние годы
разработана гидролого-морфологическая теория руслового процесса [63,
105], согласно которой морфологические образования, возникающие при
русловом процессе, подразделяются на три вида: микроформы, мезоформы и
макроформы. Первые представляют собой мелкие гряды наносов, определяющие
шероховатость дна, изменения их связаны с изменением гидравлики потока и
они выражают расход донных наносов. Мезоформы представляют собой крупные
гряды наносов (ленточные гряды, побочни, осередки), сопоставимые с
величиной русла. Эти гряды, двигаясь по руслу, определяют его
конфигурацию, однако при изменении гидравлики потока лишь частично
меняют свою форму и являются более устойчивыми морфологическими
образованиями. Макроформы — это взаимодействующий устойчивый комплекс
образований, включающий, например, излучины (меандры) русла и пойму
реки.
Строение, размеры и особенности деформаций макроформ определяются
режимом стока воды и наносов, рельефом и геологическим строением
бассейна и речной долины, а также наличием местных базисов эрозии.
Встречающиеся в природе различные комбинации указанных природных
факторов создают различные типы руслового процесса. Если на протяжении
реки природные факторы меняются, то меняется и тип руслового процесса.
Участок реки, на котором сохраняется данный тип руслового процесса,
называют морфологически однородным участком.
ГГИ установлено семь типов руслового процесса: ленточногрядовый,
побочневый, ограниченного меандрирования, свободного меандрирования,
незавершенного меандрирования, пойменной мно-горукавности и русловой
многорукавности (осередковый). Каждый из этих типов имеет свои
особенности деформаций русла и поймы.
В Гидропроекте также разработаны теория и типизация руслового процесса,
во многом сходные с принятыми в ГГИ. Если в теории ГГИ русловой процесс
рассматривается как взаимодействие потока и русла и последнему термину
придается морфологическое значение, то в теории Гидропроекта этот
процесс определяется взаимодействием двух сред — воды и грунта, причем
характер взаимодействия будет различным для несвязных и связных грунтов
[65].
При изыскании и проектировании мостовых переходов удобней пользоваться
разработками ГГИ, которые позволяют на основании только картографических
или аэрофотосъемочных материалов (см. § 6) установить тип руслового
процесса на участке мостового перехода и дать качественный прогноз
будущих русловых деформаций. Для количественного прогноза потребуется
выполнение топографических работ по съемке русла, а также получение
материалов русловых съемок прежних лет, которые могут быть сопоставлены
с материалами съемки мостового перехода.
Прогнозы русловых деформаций, основанные на гидролого-мор-фологической
теории руслового процесса, применяют при проектировании переходов через
реки ЛЭП и трубопроводов [110]. Для мостовых переходов такие прогнозы до
последнего времени не производились. Впервые этот вопрос освещен в
работе [16], где на основе указанной теории были даны приближенные
решения, отражающие специфику проектирования мостовых переходов,
заключающуюся в прогнозировании наиболее невыгодных живых сечений для
расчета размыва у опор моста и плановых деформаций русла для
проектирования подходов и дамб.
Если отверстие моста перекрывает русло и части пойм и оно размещено на
створе перехода с учетом распределения расчетного расхода, то при
прогнозировании естественных русловых деформаций стеснение паводочного
потока подходами не учитывают по следующим соображениям.
Руслоформирующим является паводочный расход воды, проходящий в пределах
русла реки, имеющий, как правило, вероятность превышения 40—60%.
Затопление пойм, достаточное для возникновения общего размыва
подмостового русла, происходит обычно в паводки вероятности превышения
10%. Следовательно, в период между редкими паводками (исчисляемый
десятилетиями) русловой процесс на участке мостового перехода не будет
отличаться от бытового и к моменту пропуска расчетного паводка под
мостом могут сформироваться невыгодные по размыву живые сечения и
плановые очертания русла, характерные для данного типа руслового
процесса. Поэтому в таких случаях применяют гидролого-морфологическую
методику прогноза естественных русловых деформаций.
Сток воды и наносов в данных ландшафтных условиях выработал речные
русла, в которых существуют определенные соотношения между параметрами,
определяющими форму русла, и гидравлическими характеристиками потока.
Для потоков, находящихся в состоянии динамического равновесия, такие
соотношения, выявленные эмпирическим путем, называются
гидроморфологическими зависимостями.
Различными исследователями предложено большое число гидроморфологических
зависимостей [11, 54, 113], связывающих геометрические характеристики
русла и мезоформ наносов с крупностью частиц аллювия, расходом, уклоном
и скоростью течения воды. К такому типу эмпирических связей относится и
выведенная нами зависимость (IV-8) для скорости динамического
равновесия.
Гидроморфологическими зависимостями пользуются при количественной оценке
русловых деформаций (см. § 30—32).
В последнее время в трудах ГГИ, посвященных исследованиям руслового
процесса, находят применение статистические и вероятностные методы,
которые правомерно использовать при изучении сложных природных явлений,
определяемых многими факторами (см. § 32).
Русловой процесс нарушается после возведения гидротехнических
сооружений, причем это нарушение может охватить большой участок по длине
реки. Локальные нарушения руслового процесса возможны на участке
мостового перехода, если последний значительно стесняет поток,
ограничивает развитие излучин или если сооружения мостового перехода не
обеспечивают плавного слива пойменных вод в отверстие моста (см. § 33).
Типизация руслового процесса неизбежно схематизирует это сложное
явление. Могут встретиться реки с русловым процессом, отличным от
установленных ГГИ типов, например текущие в ущельях горные реки с
безгрядовым движением наносов, а также реки со смешанным типом руслового
процесса.
Поэтому приводимые ниже рекомендации для типичных случаев надо применять
с учетом особенностей данной реки и прогнозировать деформации мезо- и
макроформ, обращая внимание на изучение топографических съемок русла за
разные годы.