7.10. Расчет вдольберегового переноса твердого материала

Практика гидротехнического строительства очень давно ставила перед исследователями задачу оценки перемещений наносов на побережьях морей. Однако лишь несколько десятилетий тому назад появились первые предложения по приближенной оценке, но не количества, а только направления преобладающего переноса твердого материала.

Первые предложения по оценке относительного поступления наносов к гидротехническим сооружениям, устьям рек или бухтам были разработаны В. Г. Глушковым и почти одновременно Мунх-Петерсоном [52]. В дальнейшем аналогичные предложения были разработаны или уточнены А. М. Ждановым [47], Р. Я. Кнапсом [85], Б. А. Пышкиным [141] и др. Со второй половины 50-х годов начата разработка количественных методов оценки перемещений наносов. Появились расчетные зависимости Н. Д. Шишова [221], Г. Ф. Красножона [97] и многих зарубежных исследователей [60, 61, 77, 239]. Зависимости расходов наносов одними из этих авторов были получены по данным лабораторных исследований и не обеспечивали удовлетворительной согласованности рассчитанных значений с данными натурных измерений, а зависимости других авторов включали неизвестные коэффициенты или оказались региональными. В связи с этим продолжалось дальнейшее совершенствование расчетных методов путем более полного учета основных определяющих факторов. Уточнялись, в частности, способы вычислений энергетических характеристик волнового режима прибрежной зоны [244] и устанавливались новые зависимости вдольбереговых перемещений наносов от волновой энергии [229, 234]. Несколько расчетных зависимостей было разработано в Институте гидромеханики (ИГМ) АН УССР и в ГГИ.

В. Л. Максимчук и В. 3. Аверин [142], исходя из метода размерности, представили расход наносов в виде

где соответственно высота и длина ветровых волн на глубокой воде, (без указания их обеспеченности); а — угол между лучом волны и нормалью к линии берега, градусы;

средняя крупность частиц грунта, ускорение свободного падения,

Б. А. Пышкин [141] учел влияние на расход наносов наклона отмели и выражение (7.11) представил в следующем виде:

На основании данных по заносимости одной из прорезей на береговой отмели Каховского водохранилища Б. С. Цайтц ввел в выражение (7.12) коэффициент 1,12.

Авторы зависимостей (7.11) и (7.12) не дают точных указаний в отношении вида определяемых наносов.

Уточнение и изменение вида зависимости ИГМ АН УССР продолжалось и в последующее время [114]. Наиболее существенные изменения внесены В. Л. Максимчуком, который представил расход наносов в виде

где коэффициент, учитывающий шероховатость дна и проницаемость донных грунтов; соответственно плотность воды и наносов; параметр «турбулентности поведения наносов» (значения не указаны); обеспеченность элементов волн и измеренных на внешней границе береговой отмели, не указаны.

В ГГИ зависимости для расчета расхода наносов разработаны А. В. Караушевым и Шварцман [218, 219], а также А. С. Судольским [144, 198].

А. В. Караушев и А. Я. Шварцман [75, 219] представили расход наносов в виде

где средняя скорость течения равна

гидромеханический параметр наносов, зависящий от коэффициента Шези С и величины и определяемый по специальной таблице;

где средняя гидравлическая крупность взвешенных фракций наносов; средняя глубина в прибойной зоне; высота волны перед разрушением; В — ширина всей отмели или ее части, охваченной вдольбереговым течением; эффективный диаметр донных отложений, с — скорость волны; элементарный волновой расход; скорость волнового переноса.

В работах [190, 229] представлены результаты сопоставления многочисленных измеренных расходов взвешенных наносов с рассчитанными по зависимости указанных выше зарубежных исследователей и по зависимостям (7.12) и (7.14). К сопоставлению привлечены данные измерений на узких отмелях Кайраккумского водохранилища, на отмелях средней ширины (60-90 м) Каховского и Кременчугского водохранилищ и на отмелях значительной ширины (100-300 м) Азовского моря и Ладожского озера. Данные сопоставлений показали, что ни одна из существующих расчетных зависимостей не является универсальной, хотя при некоторых условиях и обеспечивает вполне удовлетворительную сходимость с измеренными по единой методике расходами наносов. Так, например, расходы наносов, вычисленные по зависимостям (7.11) и (7.12), в большинстве случаев оказались завышенными в 3—5, а иногда и в 7—10 раз по сравнению с измеренными расходами. Многие расходы наносов, вычисленные по зависимости (7.14), оказались близкими к измеренным на Кременчугском водохранилище, но в несколько раз превышали расходы, измеренные на широких береговых отмелях Азовского моря.

В 1963 г. в ГГИ была разработана зависимость для расхода взвешенных наносов на основании уточнения теоретической зависимости скорости вдольберегового течения, предложенной Путманом, Мунком и Трэйлором, и эмпирической зависимости для средней мутности. Расход взвешенных наносов представляется в виде

Расходы наносов, вычисленные по этой зависимости, хорошо согласовались с расходами, измеренными на узких отмелях Кайраккумского водохранилища, но нередко отличались в 2—4 раза от расходов, измеренных на более широких отмелях других водоемов. С учетом этого обстоятельства была предпринята попытка дальнейшего уточнения расчетной зависимости путем привлечения новых данных измерений и уточнения представлений о процессе движения наносов.

Общий (без учета растворенных веществ) расход наносов через створ представлен в виде суммы расходов взвешенных и донных наносов, т. е.

где

Средняя на береговой отмели скорость вдольберегового течения принимается равной произведению средней поверхностной скорости, вычисленной по формуле (6.15) или (6.16) (см. главу 6), на коэффициент 0,83). Среднюю мутность воды на отмели предлагается определять по формуле (7.10), а площадь сечения в створе отмели принимать равной

После подстановки выражений для в формулу (7.24) для береговых отмелей шириной менее расход взвешенных наносов выразится в виде

где коэффициент, равный 0,22, если и В выражены в метрах, в метрах в 1 с.

Расход донных наносов при каждом расчетном значении высоты волны можно определить по данным табл. 7.5 или приближенно учесть в общем расходе твердого материала умножением расхода взвешенных наносов на осредненный переходный коэффициент

Путем сопоставлений вычисленных и измеренных расходов наносов установлено, что зависимость (7.26) обеспечивает лучшую сходимость измеренных и вычисленных расходов наносов, чем зависимости (7.11) и (7.14).

При вычислении расходов наносов на отмелях шириной более необходимо учитывать ветровую добавку к средней скорости вдольберегового течения по выражениям (6.16) или (6.17). Этим достигается лучшая сходимость измеренных и вычисленных расходов наносов.

Зависимостью (7.26) можно пользоваться и для определения количества наносов, переносимых через створ береговой отмели в течение безледоставного периода или отдельных сезонов. Для этого необходимо располагать сведениями о повторяемости или продолжительности действия ветров различных градаций скорости по направлениям, которые можно взять из «Справочника по климату получить путем обработки лент анеморумбографа или метеорологических таблиц. Основные элементы ветровых волн для расчетного створа вычисляются в соответствии с требованиями [166], а углы подхода волн к берегу принимаются равными углам между направлениями распространения волн и нормалью к линии берега. Параметры береговой отмели определяются по данным натурных наблюдений, а состав донных отложений — по данным лабораторных анализов грунтов береговой отмели. Продолжительность действия волнения каждого диапазона и каждого направления принимается равной продолжительности действия соответствующего им ветра [144, 198].

Секундные расходы наносов, вычисленные для каждого диапазона волн по каждому направлению и умноженные на соответствующие им продолжительности периодов действия волн дают количество наносов, перемещаемых вдоль берега. Путем суммирования значений этой величины определяется общий перенос наносов для каждого из возможных направлений распространения волн и результирующие переносы справа и слева от расчетного створа. На основании сопоставления результирующих переносов слева и справа от створа устанавливается направление преобладающего переноса наносов за рассматриваемый промежуток времени и определяется его числовое значение.

Аналогичные сведения можно получить, используя номограмму, построенную на основании измеренных расходов наносов в створе береговой отмели участка водоема при различной скорости и направлении ветра. Пример такой номограммы, построенной по данным измерений расходов наносов на одном из участков Каховского водохранилища, дан в работе [175].

Вдольбереговые перемещения наносов на береговых отмелях внутренних водоемов могут изменяться, как показывают выполненные в ГГИ расчеты, от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч тонн за год. Наименьшие объемы перемещений наносов получены для сравнительно небольшого по размерам озера Большое Яровое. Общий перенос наносов в северной части этого озера составил 1,80 тыс. а результирующий (к востоку) — 1,36 тыс. т/год. Наибольшие перемещения наносов определены на западном берегу Казантипского залива Азовского моря. Общий перенос на этом участке составил 294 тыс. т/год, а результирующий в северо-западном направлении — 226,8 тыс.

Таблица 7.6 (см. скан) Вдольбереговые перемещения наносов на береговых отмелях различных водоемов, тыс. т/год

т/год (табл. 7.6). На Каховском водохранилище у г. Энергодара общее перемещение наносов составило 9,67 тыс. т/год, а на Кременчугском водохранилище - 45,7 тыс. т/год (табл. 7.6).