Речные наносы

Речные наносы представляют собой частички грунта транспортируемые водными потоками, поступающие в русло реки в результате смыва с поверхности водосбора  и в результате разрушения коренных пород речной долины в верховьях реки.

Речной поток способен транспортировать частички грунта -наносы. Поток, обладающий некоторой поступательной скоростью, оказывает лобовое гидродинамическое давление на частицы наносов, лежащие на его дне, и может таким образом увлекать их с собой. При этом частицы грунта испытывают также действие подъемной силы. Возникающие при обтекании различные давления на верхнюю и нижнюю поверхность частицы создают усилие, направленное вверх.

Читай также русло реки

Под действием подъемной силы подвижность частиц увеличивается, так как сила трения движущихся частиц о дно уменьшается.Подъемная сила исчезает, когда частица грунта отрывается от дна и обтекание ее совершается симметрично сверху и снизу. При водном стоке река транспортирует наносы, поступающие в русло в результате смыва с поверхности водосбора и в результате разрушения коренных пород речной долины  в верховьях реки.

При постоянной скорости течения наносы транспортируются различным образом в зависимости от их крупности.Самые крупные частицы только перекатываются по дну под действием горизонтального гидродинамического давления, практически не отрываясь от дна. Менее крупные наносы подбрасываются пульсирующими восходящими течениями и отрываются от дна, но затем снова падают на него под действием силы тяжести.

Читай далее речная долина

Часть пути эти частицы могут перекатываться по дну. В основном же они перемещаются потоком во взвешенном состоянии. Обе рассмотренные группы частиц относятся к грунту, слагающему подвижное дно речного русла, поэтому они и называются руслоформирующими наносами. Количество наносов, которое может переносить поток в единицу времени, называется транспортирующей способностью. Фактическое количество наносов, переносимых потоком в единицу времени называется расходом наносов.

Расход руслоформирующих наносов в размываемом речном русле однозначно связан со скоростью водного потока и обязательно равен его транспортирующей способности по наносам этих крупностей в связи с тем, что поступление руслоформирующих наносов сверху по течению обеспечено.Эти наносы составляющие дно размываемого речного русла, всегда имеются в значительном количестве.

Фактический расход нерусловых наносов, взвешенных в потоке почти всегда значительно меньше транспортирующей способности потока из-за недостаточного поступления частиц такой крупности в речное русло вместе с водой. При очень малых скоростях течения частички грунта, формирующие речное русло и характеризуемые определенной крупностью, будут неподвижными. Если в процессе увеличения скорости, например при нарастания половодья, скорость течения достигнет значения, которое называется неразмывающей скоростью V нер для грунтов данной крупности, то частички начнут двигаться.

Рисунок-1. Схема разреза русла реки и характерные отложения речных наносов

При дальнейшем увеличении скорости течения будет расти и скорость перемещения твердых частичек-наносов, а также крупность частиц, которые могут быть вовлечены в процесс перемещения.Одновременно возрастает крупность тех наносов, которые переносятся в виде нерусловых, то есть не оседающих на дно. В процессе уменьшения скорости частицы грунта находящиеся в движении, могут остановиться, как только скорость снизится до V нер, поэтому скорость Vнер может быть названа и размывающей.

В своем движении частички руслоформирующих наносов подбрасываются пульсирующими восходящими течениями, достигают некоторого «потолка взвешивания» и снова падают на дно потока. Потолок взвешивания тем выше, чем больше скорость потока V и чем меньше диаметр наносов d. Способность потока транспортировать руслоформирующие наносы может быть подсчитана, если известны высота потолка взвешивания h, концентрация этих наносов в воде ρ0 и скорость их перемещения Vн.

Тогда количество руслоформирующих наносов, переносимых потоком, на единицу его ширины g» = h ρ0 Vнер. В.Н. Гончаров, изучив зависимость всех входящих в эту формулу множителей от скорости течения воды V и крупности наносов d, получил, что расход руслоформирующих наносов на единицу ширины русла (обязательно равный транспортирующей способности потока по наносам данной крупности) выражается формулой:

g» = Ad  V ⁴ / V ³ нер (1 — Vнер / V)

Прямая пропорциональность расхода наносов их крупности, четвёртой степени средней скорости воды V и обратная пропорциональность кубу неразмывающей скорости Vнер была установлена не только В.Н. Гончаровым, но и И.И. Леви, Б.В. Поляковым, что показывает на надёжность структуры формулы и возможность уверенного ее применения в инженерных расчётах.

Рисунок-1. Зависимость расхода наносов от скорости течения

 

 

 

 

 

 

 

На рисунке-1 приведены данные, подтверждающие соответствие структуры формулы натурным измерениям расходов руслоформирующих наносов. Дан график, построенный по результатам измерений расходов наносов, выполненных на Амударье у г. Чарджоу при помощи специально сконструированной полевой аппаратуры лабораторией речных сооружений ВНИИ транспортного строительства. Точки на графике должны группироваться около прямой, так как он построен в координатах V ⁴d/V³нер и g».

Линейная закономерность хорошо подтвердилась. Некоторый разброс точек объясняется погрешностями в измерении расходов наносов при высоких скоростях течения. Аналогичные измерения, проведённые той же лабораторией на реках Днепре и Суре, также подтвердили эту зависимость. При использовании формулы для определения расходов руслоформирующих наносов (g» = Ad  V ⁴ / V ³ нер (1 — Vнер / V)), необходимо предварительно установить входящие в нее величины, т.е. скорость потока, крупность наносов и соответствующую ей размывающую скорость.

Расчёты ведут по среднему диаметру наносов. Множитель А для каждого конкретного водотока следует определять по данным непосредственных измерений расходов наносов и скоростей течения во время изысканий мостового перехода. Если измерение расходов наносов по каким-либо причинам выполнить нельзя, можно использовать данные систематических лабораторных экспериментов.

Частички наносов, начинающие двигаться лишь после того, как скорость превысила размывающую для них, сначала перемещаются независимо одна от другой, и дно потока остаётся плоским. Эта фаза движения наносов носит название первой гладкой фазы. По мере увеличения скорости у дна потока появляются вихревые водные образования с осями, перпендикулярными течению, которые делят все дно на ряд чередующихся зон интенсивного движения наносов и мест их задержки. В этих условиях дно приобретает чешуйчатую форму.

На нем появляются подвижные донные гряды — волны. Эта фаза движения наносов называется донногрядовой. Первая фаза наблюдается лишь при низких скоростях течения в очень мелких потоках, поэтому в реках практически с самого начала движения образуются донные гряды. Гряды наносов исчезают только при достаточно высоких скоростях течения, когда снова наступает выравнивание дна, называемое второй гладкой фазой движения наносов.

Наличие на дне прямолинейного потока гряд наносов, которые не могут быть строго перпендикулярны течению в связи с разницей скоростей в средней части потока и у его шероховатых боковых стенок, приводит к отклонению донных струй потока этими грядами, как направляющими. В результате в потоке появляются поперечные течения с обязательным разным направлением в верхних и нижних слоях водного потока. Такие поперечные течения обнаружены в реках Н.С. Лелявским ещё во второй половине XIX столетия.

Поперечные течения значительно усиливаются на поворотах русла под действием центробежных сил, разных по значению на поверхности воды и у шероховатого дна, где скорость течения намного меньше. При этом в водном потоке образуются осредненные во времени винтовые течения, называемые поперечной циркуляцией, вызывающие возникновение особых форм рельефа дна с объединением наносов под действием донных поперечных течений в большие подвижные скопления.

Элементарные донные гряды наносов размещаются при этом уже на поверхности таких скоплений. Простейшая форма подвижного рельефа дна в виде параллельных гряд наносов без объединения в большие скопления может существовать только в чрезвычайно узких руслах, где поперечные течения развиты слабо или практически отсутствуют. В естественных широких прямолинейных речных руслах поперечные течения развиваются беспрепятственно и периодически меняют направление по длине потока, так как первоначальное отклонение донных гряд от нормального положения равновероятно в любую сторону. В результате движущиеся наносы объединяются в скопления, обязательно примыкающие поочерёдно к берегам речного русла; поэтому такие скопления называют побочнями.