Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современной организации судоходства в особых условиях гидрологического режима нижних бьефов ГЭС 10 41
1.1. Общая характеристика специфических водного и руслового режимов нижних бьефов гидроузлов
1.2. Проблемы организации судоходства в условиях суточного регулирования стока в нижних бьефах ГЭС (на примере Нижегородского гидроузла)
1.3. Исследование зарубежного опыта и теоретических проработок режима судоходства в нижних бьефах гидроузлов
2. Исследование возможности приложения теории русловых процессов к прогнозированию режима нижних бьефов ГЭС 47
2.1.Исследование турбулентности и транспортирующей способности потока в условиях суточного неравно мерного попуска ГЭС 4 74
2.2. Состояние задачи расчета русловых деформаций в нижних бьефах гидроузлов 1
2.3. Обоснование использования методов оценки эрозии русла и транспортирующей способности потока в нижнем бьефе ГЭС
3. Исследование условии формирования и деформации русла реки в нижнем бьефе гэс под влиянием техногенных факторов (на примере нижегородской, волгоградской и 90 новосибирской ГЭС )
3.1 Исследование факторов, влияющих на формирование наносов в нижних бьефах ГЭС. Воздействие интенси фикации дноуглубительных работ на формирование русла
3.2 Руслоформирующие расходы воды и их учет при исследовании условий судоходства в нижних бьефах „, ГЭС
3.3 Исследование изменения устойчивости русла зарегулированных рек 101
3.4 Обоснование наличия инерционною эффекта деформаций русла в нижнем бьефе ГЭС І 06
3.5 Оценка интенсивности русловых переформирований в нижних бьефах гидроузлов 108
4. Оценка влияния гидрологического режима нижних бьефов гэс на условия судоходства по результатам исследований
4.1 Разработка рекомендаций по оптимизации работы флота в условиях суточного регулирования стока ГЭС
4.2 Оценка влияния карьерных разработок на уровенный режим и безопасность судоходства. Рекомендации по обоснованию максимально возможных объемов добычи НСМ в условиях нижних бьефов ГЭС
Заключение 138
Использованная литература
- Проблемы организации судоходства в условиях суточного регулирования стока в нижних бьефах ГЭС (на примере Нижегородского гидроузла)
- Состояние задачи расчета русловых деформаций в нижних бьефах гидроузлов
- Руслоформирующие расходы воды и их учет при исследовании условий судоходства в нижних бьефах
- Оценка влияния карьерных разработок на уровенный режим и безопасность судоходства. Рекомендации по обоснованию максимально возможных объемов добычи НСМ в условиях нижних бьефов ГЭС
Введение к работе
Вода с древнейших времен широко используется человеком для транспортных целей, в качестве источника энергии и т.д. Запасы воды на земном шаре огромны, однако распределение водных ресурсов по площади и во времени весьма неравномерно.
Для возможности наиболее рационального использования водных ресурсов в хозяйстве необходимо их регулирование, перераспределение с помощью различного рода гидротехнических сооружений. Подобное приспособление водоема и, прежде всего рек, к нуждам человека невозможно без четких знаний русловых процессов. Какое бы строительство ни велось на реке или в ее непосредственной близости, оно должно учитывать природные процессы, связанные с жизнью реки, с возможными последующими изменениями формы русла, его перемещением или переформированием. Подобный подход при реализации инженерных решений исключит неіа-тивные последствия. Поэтому вполне понятно то внимание, которое уделялось и продолжает уделяться изучению всего многообразия русловых процессов.
Гидротехника, как инженерная отрасль, имеет свою многовековую историю. Однако гидротехнические работы, имеющие целью воздействие на процессы руслоформировання, масштабно начали проводиться со второй половины XIX века. К этому же времени относятся первые исследования русловых процессов. Это работы французов Дюбуа (1879 г.), давшею математическое выражение "силы влечения" наносов; Фарги (1908 г.), выявившего первые закономерности строения и развития речного русла [137]. С целью решения практической задачи обоснования расположения судоходной трассы Жирардоном во Франции выполняются анализы внутренних течений в потоке на повороте русла.
Один из российских основоположников гидротехники свободных рек Лохтип В. М. (1895 г.) [52, 82] в конце XIX века доказал, что характер раз-
вития речного русла тесно связан с особенностями географической среды. В качестве первого приближения он выделил три фактора, определяющих особенности конкретной реки, - водность, уклон и размываемость ложа - и дал известное выражение для коэффициента устойчивости русла. Лохтин определил причины возникновения и деформации перекатов на реках и предложил метод улучшения судоходных условии на перекатах посредством постройки в русле выправительных сооружений.
Почти одновременно с Лохтиным Лелявский Я- С. (1908 г.) [52, 81] обратил внимание на своеобразие механизма руслообрачопания: существующие формы русла направляют движение струй потока, но одновременно сами эти формы находятся в зависимосги от распределения течений. Эта диалектическая взаимозависимость русла и течения является основой современной науки о русловых процессах. Особое внимание при этом уделяется изучению транспорта донных и взвешенных наносов как в лабораторных, так и в натурных условиях. Лелявскому, как и Лохтину, была очевидна необходимость натурного изучения русловых процессов, без которого было бы невозможно найти теоретические решения задач ру еловой гидравлики.
В начале XX века возрастает значение науки о водных потоках. На территории России создается большое количество искусственных гидротехнических сооружений, таких как: Беломорско-БалтийскиЙ канал, канал им. Москвы, Волго-Донской канал, Днелро-Бугский канал; такие крупные водохранилища как: Иваньковское, Рыбинское, Горьковское, Куйбышевское, Цимлянское и другие. Это приводит к развитию разныч сторон теории руслового процесса и формированию нескольких крупных научных школ: географической (Маккавеев //. И.), геоморфологической (Кондратьев //. /:, Попов И. В., Спищепко Б Ф. [117, 118]), гидродинамической (Гришатш К В. [43,44, 46,47]) и др.
По мере эксплуатации гидросооружений появляется необходимое і ь решить ряд проблем, связанных с учеюм стока, в гидравлике - проблем не-
равномерного и неустановившегося движения, в том числе размывов в нижних бьефах плотин, в гидрологии - проблемы речных наносов. Круг вопросов инженерной гидравлики в размываемых руслах расширяется, и это приводит к формированию нового научного направления, получившею по предложению Великапова М. А. (1936 г.) [29], название динамики р\ еловых потоков. Основой его остаются принципы гидравлики и гидромеханики, но применение этих принципов усложняется необходимостью учета транспорта наносов, деформаций русла, двухфазности жидкости. На решении этих вопросов сосредотачивается внимание ряда исследователей. Это, прежде всего работы Леви И. И. [80], Гончарова В. Н. [36], Гришанина К В. [43, 46], Караушева А. В. [69, 70, 71], Алексеееского Н. И. [2], Ван Шу-Хуа [25], Вой-новича П. А. [34], Кустоеа Л, И. [11, 78]. Также были разработаны методы расчета планов течений и русловых деформаций (Вернадский Н.М и другие); исследованы структуры турбулентности {Beтканое М. А. [30], Коїмо-горов А. С. [52], Барышников Н. Б. [10, II, 12], Коренева В. В. [16],Лят\ер В. М [85] и др.); разработаны теории турбулентного перемешивания (Маккавеев В. М., и др.), изучена гидравлика подвижных русел (Гладков Г Л. [37], Журавлев М. В. [57], Дегтярев В. В. [49, 50,51]); гидравлика нижнею бьефа (Леви И. И., Алтунгш С. Т., Антроповский В. It [4, 5] и др.).
Исследовательская мысль, направленная на изучение русловых процессов, всегда ориентировалась запросами практики. При этом следует отметить, что большая роль в развитии многих вопросов теории русловою процесса принадлежит научным орі^анизацням речного флота, усилиями которых теория превратилась в научную основу водно-путевых работ. В этой связи нельзя не указать на известные работы Маккавеева Н, И., Гришанина К, В., Ржатщыиа Н. А., Чолова Р. С, Барышникова Н. Б„ Гладкова Г, Л., Сншценко Б Ф, и др. Широкую известность получили исследования и по приложению теории русловых процессов к решению задач по коренному улучшению судоходною состояния многих рек, выполнявшихся Ботвинковым В, М [19, 20, 21], Беркови-чем К. М., Кабановым А. В. [65, 66], Фроювым Р. Д и др. большая фундамен-
тальная работа по изучению закономерностей переформирования русел проведена научно-исследовательской лаборагориеи эрозии почв и русловых процессов МГУ им, Н. И. Ломоносова, созданная Маккавесвым Н. И. и ныне возглавляемая Чаловым Р. С, а также ГБУВП и С; ВГАВТ; НГАВТ; Сашгг-Пелербургским государственным университетом водных коммуникаций и другими организациями.
За последние годы выполнено большое количество исследовании русловых процессов как отечественными, так и зарубежными учеными. В том числе, проведен большой комплекс работ по изучению реки Рейна ниже плотины Иф-фецхайм (Германия) [135, 136], реки Висла ниже плотины Влоцлавек (Польша) [133, 134], на реке Колорадо ниже плотины Гувер [121], на реке Пил ниже Асуанской плотины [121] и др.
Также имеегся целый ряд работ, посвященных режиму нижних бьефов с деформируемым руслом. Это прежде всего работы Ачтунина С. Т. [3]. Берко-вина К. М [13,14, 15,16,17, 18], Векслера А. Б иДоненберга В. М [26, 27, 28], Фролова Р. Д. [95, 96, 98, 120, 121, 122], Федорова Г. Ф. [119], Бушпова Е. II [22], Арефьева К В. [7], Виноградовой И. Н. [31], Григорьева Е М [41], Ша-шинцоваД. А. [64], Серебрякова А. В. [116] и др>гие.
Специфические водный и русловой режимы в условиях суточного колебания уровней воды определяют и особые подходы к организации работы флота в сложных путевых условиях. В этой связи необходимо отметить работы Захарова В. Я [58, 59, 60], Клементьева А. И. [72, 73, 74], Рыжова Л М [110, 111]. Вопросом совершенствования судонропуска в ограниченных условиях занимались Мачышкин А. Г. [91, 92], Железнова Н. В. [56] и другие. В данном случае определяющим является режим движения перемещающейся по бьефу волны попуска, которая определяет переменные по длине участка и времени суток глубины судового хода. Важным фактором при этом являю іся возможные деформации русла вследствие зарегулированное стока, которые приводят к изменению суточного графика колебания уровней воды и, как следствие, негативно отражаются на условиях судоходства. Реіультатом подобных явле-
ний, наблюдаемых в нижних бьефах ГЭС, является ограничение пропускной способности всего водного пути и снижение доходов.
Таким образом, можно сделать вывод, что к настоящем} времени вопросы организации судоходства в нижних бьефах ГЭС с точки зрения влияния на них русловых процессов и, в первую очередь, глубинной эрозии являются не до конца изученными.
Одним из важнейших техногенных факторов, влияющих на формирование русла после создания гидроузлов, является воздействие дноуїлубиіельньїч и карьерных рабог. Значительные объемы добьми нер\,щп\ строительных материалов (НСМ), особенно в зоне влияния суточного регулирования ЮС, приводят к увеличению общей посадки уровня воды. Интенсивносі ь роста объемов проводимых транзитных дноуглубительных работ определяется направленностью русловых деформаций и обусловлена стремлением увеличить транзитную судоходную глубину на протяженном участке «водохранилище - нижниії бьеф».
Современное состояние теории и практики русловой гидротехники позволяет дать достаточно обоснованное теоретическое объяснение сущности изменения характера русловых процессов на реках после зареіулировлння их стока крупными водохранилищами. Однако, ряд существенных факторов, предопределенных долговременным характером процесса перестройки русла и закономерности последующих его деформаций продолжают оставаться недостаточно исследованными. Также отсутствуют четкие обоснования по оптимизации режима судоходства при нестабильных в течение суток глубинах. Изложенное выше обуславливает актуальность рассматриваемой проблемы.
Целью работы является оценка влияния специфических русловош и водного режимов нижних бьефов ГЭС на }словия с\до\оцствз. Механизмом реализации поставленной задачи служит исследование процесса русловых деформаций в нижних бьефах ГЭС с учетом фактора времени и протяженности участка нижнего бьефа; последствий проведения дноуглубительных и неизбежных карьерных работ и их влияние на т идравлик\ реки и безопасность су-
доходства; возможность точного прогнозирования последствий зарегулированное стока реки и других техногенных явлений. Резулыатом проведенного комплекса исследовании должна бьпь разработка рекомендации по организации оптимального режима судоходства в условиях суточною неравномерного поп>'ска ГЭС с целью снижения потерь флота; по оценке степени влияния карьерных разработок на русловой режим и безопасность 'жсп,і\аіации водного транспорта зарегулированных рек; по прогнозу русловых деформаций как явления, определяющего условия организации судоходства в нижнич бьефах гидроузлов.
Учитывая выше изложенное, автор в диссертационной работе исследует и решает следующие конкретные задачи:
оценка факторов, влияющих на формирование р>сла реки в условиях нижних бьефов ГЭС;
определение характера воздействия дноугл\бптельных и карьерных работ на русловой режим и >словия судоходства в нижних бьефах гидроузлов;
исследование специфических условий судоходства в условиях суточного регулирования стока ГЭС и обоснование мер, обеспечивающих оптимальную работу флота;
определение степени влияния работ по добыче НСМ на посадку уровня воды и обоснование максимальных объемов добычи с целью обеспечения безопасности судоходства;
разработка метода оценки интенсивности русловых переформирований как явления, определяющего требования для оптимизации организации судоходства в нижних бьефах гидроузлов.
Предметом исследования являются параметры р>сла, меняющиеся вследствие процесса деформации нижних бьефов ГЭС и, в перв\ю очередь, глубины - как определяющие безопасность судохолсгва; pjcioiiotf и водный режим зарегулированного стока; особенности организации судоходства в условиях суточного колебания уровней воды в нижних бьефах.
Проблемы организации судоходства в условиях суточного регулирования стока в нижних бьефах ГЭС (на примере Нижегородского гидроузла)
Новая форма живого сечения и уменьшение л\шдит\ды сезонных изменений отмегки гребня перекатов способств сі увеличению пропускном способности русла в целом. В результате происходиг быстрая (в течение двух - пяти лет) посадка уровней воды в реке на участках, где проіпош.іа трансформация поперечного сечения русла.
На третьей стадии основным фактором снижения уровней является глубинная эрозия, зона действия которой постепенно удлиняется и охватывает все более значительное пространство, вниз по течению.
Четвертая - конечная стадия процесса - характеризуется относительной стабилизацией продольного профиля и форм поперечною сечения русла. Продольный профиль сіабилизируетея или в результате уменьшения уклона реки и достижения скоростями течения перазмываюшич значении (не больше критических, необходимых для размыва донных грушо»), или за счет "сбалансирования", т.е. когда наносы из водохранилища и притоков образуют твердый сток, исключающий возможность дальнейшею углубления дна.
Таким образом, размыв ложа вызывает снижение уровня воды на приплотинном участке, что в свою очередь приводит к уменьшению среднего уклона водной поверхности. В результаїе уменьшается скорость течения, снижается запас избыточной кинетической энергии, и, как следствие этого, интенсивность процесса увеличения емкости русла затухает - русло стабилизируется.
При этом необходимо отметить, что подобная «классическая» схема деформаций русла реки не учитывает накладывающееся па нее влияние интенсифицированных дноуглубительных и карьерных работ. Гак, на Оби ниже Новосибирской ГЭС разработка карьеров привела к интенсификации размыва русла в 1.5 раза на участке расположения карьеров и почти в 4.5 раза ниже по течению [108]. На Днестре в нижнем бьефе Дубоесарской ГЭС массовые карьерные выемки грунта стали осуществляться череї ЗО леї после ее сооружения. За 5 лет их разработки "посадка" уровней воды в районе размещения карьеров составила 85 см; она распространилась вверх по течению вплоть до ГЭС (50 - 60 км), где ее величина оказалась раиной 5 см [97]. Причем до сих пор нет достоверной оценки доли посадки уровня воды за счет русловых процессов, дноуглубительных работ и добычи НСМ. К настоящему времени выполнен анализ р еловых процессов в основном для отдельных рек, на которых ведется добыча песчано-гравийной смеси (I IPC) и зачастую для отдельных карьеров.
Анализ и прогноз русловых деформаций и, что особенно валено, посадки уровня воды осложняется тем, что к настоящему времени практически ни в одном нижнем бьефе переформирования русла, об) словленные регулированием стока, еще не завершились; харакіер деформированного р\с-ла не принял стабильных форм, отвечающих изменившемуся гидрологическому режиму. Как показали исследования, проведенные нами, на данный момент характер русловых переформирований на эксплуаыруемых гидроузлах относится в основном ко второй - третьей сіадии процесса. Некоторым исключением можно считать нинший бьеф Нижегородской I ОС, у лее эксплуатируемый в бесподпорном режиме 50 леї, где р\сло по предварительным оценкам специалистов должно стабилизироваться к 2010-2015 і г.
Исходя из вышеизложенного для комплексного анализа специфики гидрологического и руслового режимов нижних бьефов ГЭС нами были выбраны для исследований три гидро зла: Нижегородский (р. Полі а). Новосибирский (р. Обь) и Волгоградский (р. Волга), особенное і ыо которых является наличие свободного (неподпертого) нижнего бьефа (рис. 1.2).
Нижегородский гидроузел начал свою работу її 195о году. При проектной отметке НПУ нижележащего Чебоксарскою водохранилища 68.0 ч подпор распространился бы до Нижегородской ГЭС, обеспечив судоходную глубину 4.0 м. Однако в свяш со сложившейся -экологической и экономической ситуацией наполнение водохранилища до этой о і метке оказалось невозможным. Таким образом, нижний бьеф Нижегородского іидро\зла в течение уже 50 лет функционирует вне подпора.
Состояние задачи расчета русловых деформаций в нижних бьефах гидроузлов
Среди многообразия различных гидродинамически ; явлении, происходящих в природе, значительная роль принадлежит процессам переноса твердых частиц водными потоками. Речные покжи имеют т\рбуленгнин характер, что обуславливает их способность транспортирован) минеральные частицы - наносы. Одним из показаіелей, определяющих рел им движения, является число Рейнольдса: Wt Vxdjft (2.1) или Re =VxRffiT1 (2.2) где Rej и Ren - число Рейнольдса, отнесенное сооїиетственио к диаметру трубы и гидравлическому ради су; V- средняя скорость течения жидкости в сечении; //,, /і: - соответственно динамический (г;рб\лснгныи) и кинематический коэффициенты вязкое I и. Режим движения, относимый к турбулентному, характеризує ієн числом Рейнольдса, превышающим значение критического.
Главным признаком турбулентности Минский П. М. и Негнглядои В. Г. [93] отмечали наличие перемешивания и в связи с эшм тчьсацию скорости, что в свою очередь определяет условия отрыва частицы грунта от дна. Исследованию механизма выведения частицы из состоя ния покоя и форм последующего ее движения посвящено знлчш ел ьное число как теоретических, так и экспериментальных работ российских и зарубежных исследователей. В России эта проблема наиболее обсіояіель-но рассматривалась Гончаровым В. Н., Великаиовым М. Д., Коноваловым И. М., Маккавеевьш В. М., Российским К. И., Любом»ровой К. С. Дсбопь-ским В. К., Михайловой Н. А. и др. lie анализ показал следующее: - проблема в течение мноіих десятилетии не снимается с повестки дня, и, тем не менее, она не получила до настоящего времени удовлетворяющую теорию и практику разрешения; - как в части выведения частиц наносов из состояния покоя, так и в отношении форм последующею движения сложились различные мнения.
Актуальность рассмотрения данной проблемы объясняется, с одной стороны, непосредственной связью ее с решением таких вопросов, как деформации русла и изменение транспоріируюшей способности потока, в первую очередь, в нижних бьефах ГЭС, а с друюй - недостаточным уровнем знаний явления перехода покоящихся частиц наносов Й состояние движения, что связано с трудностью наблюдения за движением наносов, особенно в придонной области потока.
Отличительной чертой нижних бьефов является то, чю и условиях поступления из водохранилища осветленного потока и наличич неустановившегося течения в нижнем бьефе набіюдаетея массовый отрыь потоком частиц от дна. Интенсивность этго процесса изменяется как в пространстве, так и во времени:
- по мере удаления от плотины и увеличения степени насыщения по тока наносами от нулевою значения в створе ГЭС до некоторой не личины, приближенной к естествен ному значению транспортирую щей способности потока, интенсивность отрыва чаешц надає і. Од нако, до сего времени нет четкою обоснования расстояния, \\d кото ром происходит насыщение потока наносами;
- непосредственно ниже ГЭС - с увеличением площади живого сечения и уменьшением средних скоростей течения размывающая способность потока падает, что соответствует стабилизации русла.
Еще одной недостаточно изученной особенностью динамики потока, свойственной только нижним бьефам ГЭС, является его «инерционность», проявляющаяся в характере изменения транспортирующей способности потока по его длине.
Таким образом, процесс отрыва частицы и последующее ее перемещение в условиях неустановившегося турбулентного потока в нижних бьефах ГЭС является одним из определяющих факторов, характеризующим изменение транспортирующей способности потока и сопутствующих этому деформации русла в целом.
Существует достаточно много мнений относительно механизма выведения частиц наносов из состояния покоя. Наряду с действием силы лобового гидродинамического давления рассматривается влияние подъемной силы, вертикальной компоненты скорости, воздействие вихрей, зарождающихся в придонном слое потока, воздействие ударов уже движущихся частиц.
Руслоформирующие расходы воды и их учет при исследовании условий судоходства в нижних бьефах
Вода, поступающая из крупных »одо\рднилиш в пня пне бьефы через ГЭС, является осветленной, т.е. содержит весьма малое ко іичеспю вівешен-ных наносов и полностью лишена влекомых наносов (по некоторым данным это составляет всего лишь 3.9% от общего объема стока речных накосо» [52, 61]). В результате в нижнем бьефе происходит формирование новою поіо а наносов. Насыщение в первою очередь (с момента начала регулирования) происходит за счет вымывания из донных отложений мелких фракции, количество которых в составе донных отложений постепенно уменьшается.
Донные отложения в нижних бьефах гидроузлов, которые же несколько лет эксплуатировались, как правило, хорошо промыты и состоя і из сравнительно крупных фракций, поддающихся интенсивному ишеншваншо только при форсированных сбросах воды из верхних бьефов, например, в период паводков. В частности, по наблюдениям Васильева А. Ф. [86], в нижнем подходном канале одною из іпдроузлов, проложенном в моренном гр)нте, при пропуске расхода половодья со скоростью 3-3.5 м с з іечепие 15 дней смыло приблизительно метровый слой грунта.
Американские гидротехники отметили, что в нижнем бьефе іидроузла Гувер на р. Колорадо средний диаметр частиц за счеі вычыва еіал соответствовать 5-10% гранулометрического состава в естественны , условиях; на реке Миссури ниже гидроузла Форт-Рзндэл до его постройки частицы диа метром 0.2 мм соответствовали 65% состава аллювия, а через 10 лег постройки гидроузла этот объем приходился на долю частин около I мм [137].
Приведенные данные свидетельствует о том, что в процессе эксплуатации гидроузлов происходит постепенное укрупнение сосіава донного аллювия.
Наиболее интенсивное вымывание мелких частиц и доншно аллювия, а, соответственно, и процесс глубинной эрозии, как отмечалось выше, происходят на участках, непосредственно примыкающих к плотине, и затухают по мере продвижения вдоль нижнего бьефа. Характерным является то, что область нарастания расхода наносов по длине нижнею бьефа, іакже как и область размыва, постепенно смещается вниз по течению. На участках большого протяжения ниже плотины сток наносов может полностью восстановиться, т.е. оказаться равным стоку наносов, имевшем} здесь место до зарегулирования реки.
Таким образом, искусственное регулирование стока и рапнпие глубинной эрозии в нижнем бьефе ГЭС существенно изменяют состав донных наносов и в итоге приводят к самоотмостке русла.
Ниже выполнен анализ изменения крупности наносов в нижнем бьефе Нижегородской [130] и Новосибирской [108, 109] V iC.
В нижнем бьефе Нижегородской ГЭС (на 6 км от с і пора плотины - в районе Городца), как показали наши исследования, глубинная эрозия привела к тому, что здесь практически к 1999 г. все песчаные наносы были вымыты; поток достиг плотных коренных порот,. При аллювиальном сложении дна на верхне- и нижележащем участках, где поток еше не доспи коренных пород, в створе гидропоста «Городец» произошел «излом» кривой свободной поверхности (рис. 3.1, а). Это послужило препятствием для дальнейшего размыва русла и распространения посадки роиня воды вниз по течению.
Средневзвешенный диаметр наносов на приплошнном участке нижнего бьефа Нижегородской ГЭС по данным изыскательских партий увеличился с 0.38 мм (1957 г.) до 0.51 мм (1986 г.), что свидетельствует об )к-рупнении донных частиц, С увеличением средневзвешенного диамегра увеличивается и шероховатость русла. В период с 1960 по 1986 гг. в нижнем бьефе ННГЭС на приплогинном участке коэффициент шероховат ос ги увеличился с 0.0161 по 0.0294. На рис. 3.2 приведено изменение средневзвешенного диаметра на участке нижнего бьефа ННГЭС, на коюром отражено его увеличение.
Изменение средней крупности наносов на участке никнім о бьефа Нижегородской ГЭС Развитие глубинной эрозии в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС [108, 109] на приплотинном участке привело к тому, что здесь практически все песчаные наносы были вымыты, и на дне обнажились коренные породы и базальтовые галечники. Распространение этого процесса вниз по течению (к концу 80-х юдов он охватил участок до устья Томи) значительно изменило картину распределения наносов и привело к общему увеличению их крупности. Укрупнение частиц аллювия произошло по всему руслу, включая несудоходные рукава. Средний диаметр наносов на плесе Новосибирская ГЭС - устье Томи увеличился более чем в два раза, достигнув 1-1.2 мм, тогда как в естественном состоянии она не превышала 0.3-0.4 мм (рис. 3.3) [109]. Восстановление же среднегодовых величин стока наносов до бытовых значений было зафиксировано в районе гидропоста Колпашево (564 км от створа гидроузла) [109].
Оценка влияния карьерных разработок на уровенный режим и безопасность судоходства. Рекомендации по обоснованию максимально возможных объемов добычи НСМ в условиях нижних бьефов ГЭС
Степень устойчивости русла является важной его характеристикой, отражающей характер взаимодействия руслового потока и грунтов, слагающих берега и дно реки, а в интегральном виде - интенсивность переформирований русел во всем многообразии этою явления. Устойчивое в динамическом смысле русло характеризуется сохранением в пределах протяженного участка в течение длительного времени своих основных размеров и положения на местности в условиях неизменносш расхода наносов по длине реки [45]. Нарушение баланса наносов является причиной возникновения вертикальных русловых деформаций. І Іоскольку сток рек неравномерен во времени и поток протекает среди горных пород и грунюв разной прочности, то баланс наносов постоянно нарушаеіся как в пространстве, так и во времени. Кроме тою, под влиянием неоднородности кинематиче ской структуры потока осуществляются горизонтальные русловые деформации, проявляющиеся в смещении и постоянном изменении форм русла. В условиях нижнего бьефа на естественные деформации накладывался также влияние ГЭС.
Все выше перечисленные деформации протекают с раїличной скоростью в зависимости от степени устойчивости русла, которую можно определить как его потенциальную сопротивляемость механическому воздействию потока.
Для характеристики степени относительной устойчивости русла раз-работано большое количество коэффициентов, анализ коюрых приведен н работах Шатаевой С. Г. [128], Чалова Р. С. [124], Ржаницына II. Л. [104]. Ряд из них относится к факторно-и нтетр ал ьным, оценивающим, с одной стороны, соотношение среднего веса частиц руслообракующих наносов и параметра, характеризующею эрозионную и транспортирующую способность потока, а с другой стороны, представляющим собой некоторую критериальную оценку интенсивности русловых деформаций. К ним относятся число Лохтина [82]:
Маккавеев Н. И. [88] произвел массовое определение числа Лочтнна для ряда рек Европейской части СССР и усіановил обратную зависимость между ним и скоростью смещения побочней перекатов. Такая зависимость была выявлена между И/В и коэффициентом Великанова М. А. - А ,,. С рос том показателей устойчивости русло сужается и становится более глубоким.
Гришанин К. В. [45] получил коэффициент потенциальной интенсивности русловых деформаций (обратный устойчивости) в виде:
В той или иной мере факторные коэффициенты отражают расход рус-лообразующих наносов. Опытами установлено значение коэффициента в IV (V -динамическая скорость) или d/h для абсолютно неподвижного аллювия: по разным данным равно 15-20 [109]. Гришанин К. В. [45] получил значение параметра d/h для неустойчивого русла - 1.3. Эти коэффициенты отражают возможную интенсивность вертикальных деформаций русла, связанных с нарушением баланса наносов.
Интенсивность деформаций перекатов, изл\чин, а также участков нижних бьефов лучше сравнивать с коэффициентами, учитывающими форму поперечного сечения. Маккавеев Н. И. [88] и Карасев И. Ф. [67] предложили сходные коэффициенты, основанные на обратной пропорциональности подвижности руслообразующих наносов и относительной глубины русла (h/B): коэффициент Маккавеева Н. И. Kc=№d{Bl) \ (3.0) коэффициент Карасева И. Ф. A A( /7) (d/A)M, (3.10) где / - уклон, В - ширина русла, м.
Очевидно, что увеличение уклона и ширины приводят к дестабилизации русла. Значение К} для устойчивого русла равно или больше 0.3.
Другое условие недеформируемости русла на прямолинейных плесовых участках получил Гришанин К. В.: \l = h{gBTQ- \ (3.11) где Q - расход воды, MVC. ДЛЯ р сел, сложенных песком, М, в среднем, равно 0.9.
Если поток переносит руслообразующие наносы, то в диапазоне У1 У У11, где V3 - незаиляющая скорость, Ун - неразмывающая скорость, происходит отложение наносов. Так как У„=1.3У» ю значение /С,, с которого начинается аккумуляция наносов (переуглублешюе русло с пониженной транспортирующей способностью), составляет около 0.4. Такому р\слу соответствует М 1.05. Для обеспечения транспорта наносов на участке реки должно соблюдаться условие У„ У УГ а гак как УР -=1.4У„ ю условием устойчивости русла при сохранении гидравлической устойчивости потока является Ку=0.2-0.4. Руслам, в которых транспортирующая способность потока повышена, соответствуют значения коэффициентов Ks 0.2 и М 0.75, что указывает на тенденцию размыва русла, в частности на наличие глубинной эрозии.
Исследование показателей устойчивости русла позволяют отнести изучаемый участок реки к определенной катеюрии по степени устойчивости русла и в нервом приближении оценить возможные іемпьі русловых деформаций. Для определения коэффициентов устоіїчивости для различных рек была разработана шкала относительной устойчивости русел рек (приложение 2) [109, 53].
Степень устойчивости неодинакова по длине реки и существенно меняется в условиях з аре гулиро ванн ости стока. Наиболее резкие изменения степени устойчивости русла наблюдаюіся на участках нижних бьефов гидроузлов. Увеличение площади живого сечения, крупное і и руслообразую-щих наносов и снижение отметок перекатов приводят к уменьшению гидравлических СОПрОТИВЛеНИЙ И Некоторому МЄНЬШЄНИ10 УКЛОНОВ При Ш1Ї ких уровнях. Все это проявляется в повышении усіойчивосіи или стабильности русла, и, в конечном итоге, влияет на скорость (а иногда и саму ВОЇ-можность) восстановления исходных характеристик русла.
