автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Переформирования русел регулируемых участков горных рек

£ А '<! 9 Л

ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ИЗЫСКАНИЯМ, ИССЛЕДОВАНИЯМ, ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СТРОИТЕЛЬСТВУ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И МЕЛИОРАТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ В СССР И ЗА РУБЕЖОМ «СОВИНТЕРВОД»

На правах рукописи УДК 556.627.42

КАГАНОВ ЯКОВ ИСААКОВИЧ

ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ РУСЕЛ РЕГУЛИРУЕМЫХ УЧАСТКОВ ГОРНЫХ РЕК

05.23.07 — Гидротехническое и мелиоративное строительство

АВТОРЕФ ЕР АТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА 1991

Работа выполнена во Львовском сельскохозяйственном институте.

Официальные оппоненты: Доктор географических наук, профессор Чалов P.C., доктор технических нтук, профессор ДебольскиЗ В.К., доктор технических кэук, профессор Михневич Э.И.

Еедутее -предприятие - Украинский государственный грловной проектно-изыскательскАй и научнб-исследовательский институт "Укргипроводхоз"

Зашита состоятся "I?-" 3,^-Vv 1992_г. в ( Г часов на заседании специализированного совета Д 099.08.01 при Производственном -объединении по изысканиям, исследованиям, проектированию и строительству водохозяйственных и мелиоративных объектов в СССР и за рубежом "СОШНТЕРВОД" по адресу: 129344, Москва, ул.Енисейская, дом 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ПО "8«ШНТЕРВ0Д"

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан " " ^¿¿^x-J^-V 199

Ученый секретарь Специализированного совета Д 099.08.01, канд.техн.наук

Н.Г.Зубкова

5

,} ; « -

.....^ | ОБцАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБСТЫ

Актуальность темы. Проблема комплексного использования дг-шх ресурсоз включает необходимость предстзразения зредного зрупительногс действия стихийных сил природу,одним из проязле-Я которых являются зрсзионно-аккумулятивные процессы горных к з условиях хозяйственной деятельности.

Строительство и эксплуатация защитно- выправительных работ лжны вестись на основе прогноза возможных русловых деформаций, зызаемых искусственным изменением режима реки. Недостаточная оретическая изученность вопроса определяет потребность в анали-механизка русловых переформирований.

Специфика горных рек,состоящая ц больших продольных уклонах, сокой кинетичности потока, галечно-залунном составе отложений, сокой инерционности паводка, обуславливает особенности их морфо-гии.механизма и форм транспорта насосов, режима русловых дефор-ций.

Определенный научный и практический интерес представляет зработка гидравлико-морфометрических моделей отдельных проявле-й руслового процесса годных рек с доведением до возможности ин-нерного прогноза деформаций с учетом хозяйственной деятельности, гребность в соответствующих нормативных документах для инзхенер-Я практики проектирования.эксплуатации и экологической защиты гулируемых участков горных рек определяет актуальность решения той проблемы.

Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы -основе обобщения результатов натурных и экспериментальных ис-здований разработать методы оценки -состояния устойчивости и прог-за деформаций русел горных рек з условиях регулирования русло-?о резетма; построить расчетные модели эрозионко-аккумулятивного

процесса и реализовать их применительно к горным рекам Карпат.

При выполнении диссертационной работы были поставлены следу-яхле основные задачи: исследовать закономерности эрозиэнно-акку-:.улятиЕного процесса применительно к условиям горних рек с учетом транспорткруазей способности водного потока, гранулометрии русло: отложений, формы гидрографа паводка, антропогенного влияния на р> ловой режим; разработать методику оценки состояния устойчивости русла и прогноза общих русловых деформаций в условиях проявления антропогенного влияния; разработать алгоритмы соответствующих инженерных расчетов с учетом возможности ввода исходной информац; полученной по данным дистанционного зондирования; дать практичен рекомендации по резению ряда задач, сзязанных с прогнозом русловь переформирований в условиях транспорта влекомых наносов неоднйро,-ного состава и сопротивления отмоетки,состоящей из разнозернисто! материала.

Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлю лось путем теоретического анализа уравнений динамики русловых потоков,получения закономерностей для прогноза средних в сечении деформаций и оценки состояния устойчивости русла.

В связи с Необходимостью доведения прогнозных расчетов до уровня инженерного использования выполнена проверка предлагаемых методов расчета на реальных объектах и их корректировка с учетом гидрологических и морфометрических условий. В качестве характерных обьектоз выбраны горные реки разных порядков,стекающие с северных и восточных склонов Укра11нских Карпат.

Натурные наблюдения в 1973-36 гг. за русловым режимом тестовых участков горных рек проводились экспедиционными методами.Изучались морфометрические, гидравлические и русловые характеристик; при соответствующей гидрологической обстановке. Основное знииак» было сосредоточено на режиме рек в пазсдск.

Кинематические и морфо;.;етрические характеристики водного потока измерялись на искаженной жесткой модели обвалованного участка р.Еыстрпиы.

Объекты исследования . 3 качестве оснозньп: обьектсв исследования были выбраны:

- обвалованный участок р.Выстрицы протяженностью I кы выше п.Подбун Дрогобычского района Львовской области и участок реки длиной до 3 юл в естественном состоянии иске п.Подбун;

- участок р.Черный Поток в п.Отьня Колошйского района Ивано-Зранковской области;

- участок р.Дуба у с.Ценява Рожнятовского района Ивано-Зранковской области;

- горные потоки,зпадапдие в р.Опор выше п.Сколе Сколезского района Львовской области;

- участок р.Днестр выпе и ниже г.Старого Самбсруэасполо-женный вьше разработок гравийного карьера;

- участок р.Днест>р у г.Галич Ивано-Франковской области;

- п.Локань у с.Тустановичи Дрогсбьг$сого района Львовской области;

- регулируемый участок горного потока Тисного, правого притока р.Бысгрицы;

- искаженная модель километрового участка р.Быстрицы при разных положениях дамбы обвалования.

При получении некоторых зависимостей привлекались материалы гидрологических ежегодников,проектные данные института "Льзов-гипроводхоз", результаты иследований.автора в более ранний период и данные других иследователей.

Научная новизна. По результатам выполненных исследований разработана новая концепция проблемы устойчивости русел горных рек,

основанная на фундамент ал ь ных представлениях о механизме русловы переформирований. Устойчивость русла оценивается с точки зрения его 'Недефсрг.згруемссти в пространстве и зо времени. Рассматривается не устойчивость отдельно лежалей частицы на дне реки, а равновесие межцу транспортирующей способностью по.тока и сопротиз лением русловс 5 отмотстки с учетом гидроморфометрии и активности русла.

Реализация поставленных в работе задач включает построение :»

ряда расчетных моделей эрозионно-аккумулятивного процесса,котсры в зависимости ст вида антропогенного воздействия позволяют предл нить.' . соответствующие методы прогноза русловых переформирований В результате получены следующие новые научные результаты:

предложена параболическая аппроксимация гранулометрических интегральных кривых в безразмерных координатах, определены аппро; сишруищие параметры позволяющие выполнить разделение состава от: жений и выделёние подвижкой части /наносов/ с учетом гидравлического режима и морфометрических условий формирования водотока;

соЬдана гидравлико-морфометрическая модель цроцесса взаимодействия наносонесущего водного потока с руслом, поз водящая оценит:, состояние еги устойчивости из условия сохранения самоотмост-ки критерием,который по сравнению с другими учитывает гидро-морф< метрию русла,гранулометрию отложений и скоростную, структуру потока;

предложена новая классификация русел горных рек по устойчивости, определяющая типы эрозиокно-аякумулятивного процесса и соответствующие ил регулировочные мероприятия;

построена модель общих вертикальных деформаций русла з поперечном сечении горной реки .учитывающая изменяемость сирины зодног потока с наполнением;

разработана гидравлико-морфометрическая модель формирования

призш отложений наносоз перед перегораживающий сооружением с пространственно-временной оценкой степени затухания эрозионной деятельности эодотока;

выполнено морфометрическсе обобщение к аппроксимация поперечного сечения русла.получены сзязи аппроксимирующих параметров с гранулометрией русловых отлояений;

предложен новый метод прогноза продольного профиля русла горной реки при снижении базиса эрозии / в результате карьерных разработок/;

установлен новый подход к решения задачи технико-экономического анализа эффективности возведения ограждающих и перегораживающих регулирозочных комплексов.

Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач, организации и проведений теоретических, натурных и экспериментальных исследований,анализе результатов/формировании выводов и рекомендаций, а также в обеспечении их внедрения в практику проектирования, эксплуатации регулировочных сооружений и экологической защиты горных рек.

Достоверность результатов определяется использованием аппро-бирозанного научного базиса - общепринятых методов натурных и экспериментальных наблюдений, теоретического анализа уравнений динамики русловых потоков, проверки разработанных моделей эрозион-но-аккумулятивного процесса на реальных обьектах-регулируемых участках горных рек разных порядков, региона Украинских Карпах. Большинство из них были зарегулированы по проектам института "Львовгипроводхоз" или обслунивались службами эксплуатации- Львовского и Из.Зранкозского облмеЗЬзодхозоз.

Практическая ценность и внедрение результатов исследований. Ка основании выполненных исследований разработана методика оценки устойчивости регулируемого рурла и прогноза.русловых деформаций с

учетом изменения расчетных характеристик в пространстве и во времени. Зсе расчеты могут быть выполнены дсступньв.ипроектирозщи* приемами. Предложенная классификация типов эрозионно-аккумулятивного процесса дает возможность определить способ регулирования реки и местонахождение ограждающего или подпорного сооружения.

Разработанная методика технико-экономического анализа эффективности строительвтва дамб обвалования позволяет выбрать оптимаз ный вариант ее размещения и соответственно необходимость дополнительного крепления основания или повышения отметки гребня дамбы.

Разработанные гидравлико-морфометрические модели эрозионно--аккумулятивного процесса в зависимости от его преобладающей наггр; ляемости составили основу следующих методов прогноза:

1. Расчет положения дембы обвалования в поперечном сечении

реки.

2. Определение подвижной части состава русловых отложений.

3. Метод построения кривой расхода воды в расчетном створе реки / с использованием дистанционной информации/.

4. Прогноз русловых переформирований в поперечном сечении

реки.-

5. Методы прогноза переформирований продольного профиля русла при изменении базиса эрозии.

6. Расчет технико-экономического эффекта принятого размещения ограждающих и перегораживающих сооружений.

На основании выполненных исследований составлены и переданы институтам "Львовгипроводхоз" и "Самаркандгипроводхоз" методические рекомендации по оценке состояния устойчивости русла горно: реки .расчету общих вертикальных русловых деформаций,прогнозу продольного профиля русла при изменении базиса эрозии,основное содержание которых опубликовано в монографии автора в 1981г.,

доложено на заседании техсогаета!; Льзсзского облмелиоводхоза в 1979 г., на расширенном заседании техсовета "Львовгипрозодхоза" в 1984 г., заседаниях секций русловых процессов Научного совета "Комплексное использование и охрана водных ресурсов " ГСНТ,всесоюзных координационных совещаний по цроблеме,2.5.1.7.8 АН СССР.

Результаты исследований обвалованных j-частков р.Быстрицы и р.Черный Поток в форме научных отчетов переданы Львовскому и Ивано-Франковскому облмелиоводхозаы, ожидаемой экономический эфё фект составил 180 тыс.руб.

Исследование условий деформаций русел горных рек с использованием данных дистанционного зондирования выполнились в рамках программы 0Ц.038 ПШТ по теме: "Разработка методик, моделей и алгоритмов обработки данных дистанционных измерений для получения характеристик природной среды". Научный отчет зарегистрирован в ВНГИЦентре за № 0287.0025800. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследования только в пределах Львовской и Ивано-Зранковской областей составил 1,5 млн.рубл.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на заседаниях кафедры мелиорации и гидротехники Львовского сельскохозяйственного института /1985-87 гг/, научного семинара/1932 г/, Н.Т.С. /1987 г/- Проблемой лаборатории эрозии почв и русловых процессов,научного семинара кафедры гидрологии суши /1989/, географического факультета МГУ, семинара "Инженерная гидравлика" Злуй30ДГЕ0 / 1987 г/, техсовете Львовского облме-лиоводхоза / 1979 г/, расширенном техсовете института "Львовгипро-водхоз" /1984 г/, первом съезде гидроэкологов СССР /1990/.

Материалы исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях Львовского с/х института, всесоюзных научных конфе-

ренциях "Инженерные мероприятия для защиты почв от эрозии и орошения в горных условиях " /Тбилиси,1972 г/, "Исследования русловых процессов для практики народного хозяйства /ИоскваДЭВЗ, 1987 г/, "Динамика и термика рек, водохранилищ и эстуариев" /Москва,1984,1939/, "Исследования гравитационного поля и природных ресурсов Земли космическими средствами" /Львов,1984/, "Автоматизированные системы обработки изображений" /Львов,198бг/, секции русловых процессов.научного совета "Комплексное использование и охрана водных ресурсов" /Ленинград,1982-85,1989 гг/, У Всесоюзном гидрологическом съезде /Ленинград,1986 г/, координационном совещании в рамках проблемы 3.5.1.7.8. / Томск,1986,Москва, 1987, Горький 1988,Луцк,1989.Одесса,1991./

Дубли кадии. По материалам диссертационной работы опубликовано более 40 научных работ, в том числе монография.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения.шести глав.выводов.списка литературы и приложений.

Работа содержит 348 страниц машинописного текста, в т.ч. 61 рисунок, 31 таблица,список литературы - 310 наименований, приложения, включающие 45 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕШНИЕ РАБОТ

Во введении отмечается, что реализация важнейшей народнохозяйственной программы комплексного использования водных ресурсов связана с предотвращена ал или регулировал!ем эрозионно-аккуыуля-тивных процессов горных рек и решением соответствующих инженер -ных задач. Обосновывается актуальность темы и необходимость выполнения научных исследований с целью создания надежных прогнозных методов; крайне необходимых в практике проектирования и эксплуатации регулировочных сооружений.

В первой главе приводятся особенности гидрологического и руслового режима горных рек, разноввдности приемов инженерного вмешательства в естественный режим реки, анализируются гидравли-ко-морфометрические особенности формирования русел горных рек, существующие способы оценки устойчивости русла и прогноза русловых деформаций.

Геоморфологические и природно-климатические условия формирования речного русла определяют своеобразные особенности накопления и характер залегания твердого материала, определяемые прежде всего механическим составом отложений, который, Как отмечал еще В.Г.Глушков, служит характеристикой относительной русловой активности отдельных участков ложа реки. При такой постановке вопроса можно говорить о связи крупности передвигаемых потоком частиц и его транспортирующей способности..

Серьезная трудность при изучении влечения донных наносов

состоит в неопределенности границы начала размыва разнородной по

_ э

составу смеси донных отложений. Потому в практических расчетах очень важна правильная оценка распределения частиц по крупности в составе наносов и вычисления расчетных диаметров состава донных отложений. Вопрос определения средней крупности наносов и харак-

теристик неоднородности состава смеси освещены в работах В.Г.Глуш-кова^ А.Шоклича, В.Г.Лопатина, В.Н.Гончарова, С.Т.Алтунина, И.А.Бу зунова, М.С.Вызго, Я.А.Никитина, В.Н.Шолохова, И.И.Херхеулидзе, М.Н.Бухина, А.Н.Крошкина,В.С. Кнороза, Г.В.Докунина и др.

В неоднородных по крупности русловых отложениях при размыве происходит переформирование юс гранулометрического состава, особенно в поверхностном слое, За счет вымывания мелких фракций образуется саыоотмостка из крупных частиц, соответствующим образом уложенных и затеняющих более мелкие частицы. Тем самым повышается устойчивость верхнего слоя отложений против размыва, что определяет практическое значение учета явления самоотмостки в расчетах гидроузлов и привлекает внимание к глубокому изучению его физической природы многих отечественных и зарубежных исследователей (О.В.Андреев, Ц.Н.Бухин, И.В.Егиазаров, В.С.Кнороз, В.С.Лапшенков, Ц.Е.Мирцхулава, К.И.Россинский, И.А. Кузьмин, В.Ф.Талмаза,И.И.Херхеулидзе, A.B. Ыагомедова, И.Гесслер, В.Литл Д.Ракоши, Е.Ричардсон и др^ В большинстве случаев решался вопрос о репрезентативном диаметре русловых отложений и коэффициенте неоднородности состава. Полученные разными авторами параметры имели значительные расхождё-ния, так как недостаточно точно учитывали условия размыва грунтов водным потоком.

Оценка гранулометрического состава русловых отложений при помощи формулы логарифмически - нормального закона распределения выполнена Т.Бленчем, В.А.Мелентьевым, Ы.Н.Бухиным, Ю.А.Ибад-Заде и др. При ötom Бленч и Мелентьев применили относительные диаметры

/d(c . Широкое применение нашла параболическая аппроксимация интег ральных кривых гранулометрического состава в относительных координатах в работах М.Н.Бухина, Р.О.Тер-Ыиносяна, З.Н. Торосяна,

А.Н.Крошкина, И.В.Егиазарова, А.Н.Олиферова, A.A. Клюкина, Е.А.Толстых и др.

Наиболее важной характеристикой русла является его устойчивость/ с точки зрения недеформируемости /, определяющая тип .уровень и интенсивность зрозионно-аккумулятивных процессов. Многофакторность физического процесса переформирования русла, влияния на его ход соответствующих региональных и антропогенных воздействий определяет разнообразие подходов многих исследователей к оценке и классификаций русел рек по устойчивости.

Проблема устойчивости русла как в теоретическом представлении, так и в применении к решению инженерных задач достаточно многопланова. В работах К.В.Гришйнина анализ методов исследования проблемы устойчивости рассматривается в широком диапозоне границ,.'.определяющих форму водного потока, порядок размеров возмущений в нем, степень учета действующих физических факторов в общей механической системе " поток-русло". Учитывая тот факт, что общие закономерности формирования русла изучены недостаточно, применение детерминистических методов описания данного физического процесса достаточно ограничено и может быть сведено по-существу к рассмотрению отдельных его проявлений.

Исследованию, описанию и прогнозу состояния устойчивости русла посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов / В.М.Лохтин, С.Т.Алтунин, А.В.Огиевский, А.В.Карау-шев, H.A.Великанов, H.A. Ржоницын.К.В.Гришанин, И.Ф.Карасев, Ы.11.Гришин, В.С.Ладшенков, А.Н.Крошкин, Н.С.Знаменская, В.М.Ыак-' кавеев, И.Гесслер.В.Литл, Л.Ракоши,- Е.Ричордсон,Д.Саймонс,И.И.Ле-ви, Ю.А.Ибад-Заде.Ц.Е.Ыирцхулава, И.В.Егиазаров и др./.Они различаются между собой методологическим подходом к решению проблемы

в рамках гидромеханического или гидравлико-морфометрического направления, системами используемых уравнений и морфометрически: связей, степенью полноты учета различных факторов, определяющих взаимодействие водного потока и русла. Анализ существующих параметров устойчивости на материале натурных данных горнгх рек Карпат свидетельствует о наличии количественных расхождений их величин. Основные причины этих расхождений заключаются в неполном учете действующих факторов, в региональном характере морфо-метрических связей и эмпирических формул, в различии рекомендаций по определению неразмывающих скоростей потока.

Авторы гидроморфологической теории руслового процесса, созданной в ГТИ, рассматривают совместно гидравлические и морфологические факторы, ввделяя кинематические параметры водного-потока на соответствующих структурных уровнях. Н.Е.Кондратьев к числу ограничивающих факторов относит инженерную деятельность, вносящую существенные коррективы в исторически сложившийся процесс взаимодействия водного потока и русла.

Всестороннему анализу руслового процесса на горных реках посвящены работы К.З.Артамонова, А.Н.Крошкина, В.Ф.Талмазы, отметивших саморегулирующий характер процесса взаимодействия водного потока и русла, сложенного крупнозернистым материалом, а также высокую-зональность, многообразие и значительную изменяемость действующих факторов, отставание развития русловых форм от изменений водной среды, зависимость шероховатости русла от продольного уклона и др.

Расматривая разные аспекты современной науки о русловых процессах, можно выделить ее отдельные положения, которые призваны не только раскрывать физическую суть явления, но и давать в руки проектировщика "инструмент" для выполнения инженерных

расчетов. Предложено бользое количество морфометрических зависимостей отечественных и зарубежных авторов /Лоссей, Петтис, Блвнч и Кинг, Инглис, С.Т.Алтунин, С.И.Рыбкин, У.А.Великанов, А.Н.Крол-кин, М.С.Похсрарян, Г.-Т.Ленинский, В.А./16ад-Заде, П.А.Шатбераш-вили, .Ч.Н.Еухин, А.З.Карауцеэ, Ы.А.Мостков и др./.

Н.С.Знаменская отмечает в качестве одного из ограничивающих условий руслового процесса изменчивость гидравлического режима во времени. Изменчивость расхода воды ведет к сокращенно времени активного движения русловых форм. Можно согласиться с утверждением К.Ф.Артамонова, А.Н.Крошкина, В.Ф.Талмазы о наличии на горных реках основйых типов руслового процесса, однако в силу кратковременности выраженного пикообразного гидрографа, а следовательно, в связи с реализацией отмеченных выше ограничивающих условий, весьма затруднительно констатировать еавершенный характер формирования в период паводка русловых отложений, соответствующих определенному расходу воды. Тем самым подтверждается применительно к горным рекам действие постулата отставания разви¥ия русловых форм от изменения водной среды. Практически гидрологические условия формирования паводка горной реки создают значительную инерционность в изменении гидравлических и' русловых характеристик в период паводка, а это означает, что в соответствующие моменты времени состав русловых отложений не успевает прийти з соответствие с транспортирующей способностью потока. С учетом крайней неоднородности состава русловых отложений и соизмеримостью выступов шероховатости с размерами микрофарм, можно допустить применение для условий горных рек законов гидродинамики, а следовательно и морфометрических зависимостей, определяющих закономерности взаимодействия между потокам..' и зернистым ложем русла. Приемлемость

такого подхода еще более подтверждается уровнем инженерного вмепательства в исторически сложившийся естественный режим горных рек.

Гидроморфологлческие зависимости для горных рек разных регионов предложены С.Т.Алтуниным, М.С.Вызго, Я.А.Никитиным, В.Н.Шолоховым, А.Н.Крошкиным, ¡¿.Н.Бухиным, Ф.И.Цухамеджановым,Б.Г.Иваненко, Т.К.Карлихановым, В.С.Лалшенковым и др.

При проектировании регулировочных гидротехнических сооружений возникают задачи, связанные с прогнозом русловых переформирований. Их решение осуществляется методами гидродинамического и гидролого-морфрметрического направления /В.С.Алтунин, С.Т.Алтунин, А.К.Ананян, О.В.Андреев, К.З.Артамонов, В.А.Базилевич, И.Н.Бухин, Л.И.Викулова, Т.Г.Войнич-СяноженскиЛ, В.Н.Гончаров, К.В.Гришанин, Н.С.Знаменская, Ю.А.Ибад-Заде, И.Ф.Карасев, A.B.Нараушев.Н.Е.Кондратьев, В.С.Лапшенков, И.ИДеэи, Н.И.Маккавеев, Ц.Е.Ыирцхулава, Е.К.Рабкова, Н.А.йсаницын, К.И.Россинский, Б.Ф.Снищенко, Б.И.Сту-деничников, Г.А.Федотов, П.А.Шатберашвили и др./.

Физический процесс русловых переформирований при соответствующих гидравлико-морфрметрических условиях зависит от характера транспоптипования наносов, их состава* условий влечения и ot.icsc-ния, взаимодействия, твердой и жидкой составляющих потока.

Многие научные концепции проблемы транспорта наносов, исходя из задач практического применения их количественных закономерностей, решают вопросы определения расхода влекомых наносов с учетом региональных условий, динамики и способа перемещения наносов на соответствующих структурных уровнях.

Переформирования русла современной горной реки, особенно а условиях интенсивного воздействия антропогенной деятельности, при пикообразном гидрографе паводка, когда затруднительно говорить о достаточно длительном взаимодействии потока с руслом при соот-

ветствующей фазе руслового процесса, невозможно определять количественно с учетом структурных образований. Согласно разработок К.В.Гриаанина и А.Н.Кроякина можно принять бесструктурное перемещение наносов при преобладающем сопротивлении зернистой перо-ховатости или с точки зрения классификации Б.<5.Снищенко целесообразно считать на структурном уровне частицы передвигаемых наносов.

На основании обзора исследований русловых процессов можно констатировать необходимость новых подходов к анализу эрозионно-акнумулятивного процесса горных рек с разработкой прикладных задач прогноза русловых переформирований з условиях пространственно-временных изменений транспортирующей способности водного потока и сопротивления русла.

Во второй главе изложены физико-географические особенности территории и обоснование выбора обьектов натурных наблюдений, методика сбора и обработки исходной информации, результаты лабораторных экспериментов по изучению гидроморфометрических характеристик и скоростной структуры естественного водного потока.

Натурные наблюдения за русловым режимом проводились экспедиционным методом с 1973 г. Изучались морфометрические, гидравлические и русловые характеристики рассматриваемого участка реки в связи с соответствующей гидрологической обстановкой. При этом основное знимание было сосредоточено на режиме в период паводков разных лет.

На тестовых участках рек производилась топографическая сьем*-ка с последующим построением поперечных сечений в расчетных створах и продольного профиля русла по стрежню. В отдельных случаях на наиболее характерных участках выполнялась фототеодолитная съемка. В расчетных створах фиксировались максимальные уровни

проходящих паводков, что дало возможность строить графики соответственных уровней, приведенных к расходному водомерному посту. Это позволило построить кризые расходов воды в каждом рас-

четном створе. На всех объектах натурных наблюдения строились гидрографы уровней по данным непосредственных измерений или близлежащих государственных водпостов.

По данным подсчетов площадей живого сечения £J и ширин водного потока.Б в створах строились кривые зависимостей по высоте

и В[г) . Обработка данных измерений уровней в реке позволила рассчитать гидравлические уклоны 3 в рассчетных створах и построить зависимости ■Эф . Полученные таким образом гидроморфйметрические закономерности поперечных и продольных профилей реки явились основой расчета величин С^^В^У при соответствующих расходах еоды паводка.

Необходимостью выполнения гидравлических и русловых расчетов продиктован достаточно детальный анализ гранулометрического состава русловых отложений в расчетных створах; отбор проб грунта производился в непосредственной близости от уреза меженного русла. Пробы русловых отложений отбирались из щурфов с размерами в плане 70 х 70 см. Сначала снимался верхний слой /самоотмостка/, а затем подстилающий слой; при этом отобранный грунт маркировался соответственно индексами "в" /верхний слой/ и "н"/ нижний подстилающий грунт/.

Результаты гранулометрического анализа русловых отложений сводились в таблицы фракционного состава и расчета средневзвешенной крупности; по данным таблиц строились размерно-частотные и интегральные кривые состава.

Репение задачи прогноза продольного профиля русла при повышении и закреплении базиса эрозии сводится к оценке степени затухания эрозионной деятельности на вышележащем участке водотока'.

с этой целью перед каждым из подпорных сооружений в расчетных створах определялись гидроморфометрические и гранулометрические характеристики, продольные уклоны, фактические вертикальные размеры занесения.

В задачи исследования входит решение вопроса о влиянии снижения базиса эрозии на формирование вышележащего русла горной реки. Поскольку сопоставить состояние устойчивости русла до и после снижения базиса эрозии обычно затруднительно из-за отсутствия исходных данных в естественных условиях, решение поставленной задачи позволило определить общую тенденция снижения эрозионной деятельности в зоне прекращения влияния базиса эрозии. Параллельно с проведением обычных топографических, гидрологических,, гранулометрических и др. видов работ выполнялся анализ состояния существующих инженерных гидротехнических сооружений.

Натурные наблюдения на данном этапе исследования включали-следующие виды работ:

- разбивка промерных створов на характерных участках реки и у существующих гидротехнических сооружений;

- нивелировка промерных створов с указанием уровней воды /меженного горизонта и УВВ/;

- нивелировка продольного профиля по фарватеру реки;

- гранулометрия русловых отложений фотометодом;

- типографическая сьемка тестового участка реки.

Лабораторные эксперименты выполнялись на русловой зесткой модели исследуемого в натуре километрового обвалованного участка

р. Быстрицы. Модель реки выполнена в искаженном масштабе-Мн= /, искажение модели

Целью изучения р.Быстрицы на модели является определение кинематических и ыорфометрических характеристик пространственного водного потока : поля скоростей, рельефа водного поверхности при разных положениях дамбы обвалования.

Первая серия опытов проводилась с пространственным водным потоком в условиях установившегося движения при расходах воды 0,87; 1,23; 1,62; 2,30; 3,55 л/с. Последний соответствует натурному расходу воды 125 м / с, немного превышая максимальный наблюдаемый расход в паводок 22 июля 1974 г./ Ф^ЦС/.

В последующих сериях опытов при тех же расходах воды измерения проводились в условиях, когда левый берег, иммитиругаций откос дамбы обвалования, смещался влево на расстояние 20 см / 4 положение дамбы /; 15 см / 3 положение дамбы /.соответствующие в натуре 40,30 м.

В процессе лабораторных экспериментов при соответствующих расходах воды измерялись мгновенные скорости на вертикалях расчетных створов, что давало возможность построить эпюры скоростей, а также определить кинематические параметры, характеризующие распределение скоростей в поперечнике и состояние эрозионко-аккумулятивного процесса.

Изложенные методические приемы натурных исследований позволяют определить исходную морфометрическую, гранулометрическую и гидравлическую информацию для оценки пропускной способности и устойчивости русла горной реки, прогноза его деформаций.

В третьей главе изложены результаты исследований эрозионно-аккумулятивной деятельности горных рек, количественного и качественного анализа гранулометрического состава русловых отложений и

и донных наносов- с разработкой классификации русел горных рек по устойчивости.

Специфика руслового режима горных рек накладывает определенный отпечаток на формирование русловых отложений.Их состав характеризуется наличием включений с размерам^- в широком диадозоне от мельчайших частиц до крупных камней.Можно ответить очень высокую динамичность в изменении состава отложений, зависящего от гидрологического режима паводка и гидравлической структуры потока.Мелкие фракции,составляющие ложе, вымываются относительно маловодными паводками или в начальный период высоких паводков. Осаждение и укладка мелких наносов происходит на спаде волны паводка ; видимо размеры осаждаемых частиц уменьшаются по мере уменьшений расхода воды. Но это не означает, что состав мелкой части отложений строго соответствует водности реки, так как имеет место явление затенения мелких частиц более крупными и отмащивание верхнего слоя отложений.

Наиболее крупные включения в составе отложений менее динамичны, не в каждый паводок происходит их мигрирование. К тому же круп ные камни закальмотированы мелкими частицами и закономерность их сдвига или подъема не такая, как для отдельно лежащей на дне частицы.

Неустойчивое процентное содержание в составе отложений крайних фракций затрудняет процесс его аппроксимации. Приняв параболическую аппроксимацию гранулометрических кривых в относительных координатах f учитывая результаты натурных исследований

автора и анализа предложений М.Н.Бухина, А.Н.Крошкина и др. можно выразить уравнение кривой состава отложений в виде :

При выполнении инженерных расчетов возникает необходимость определить состав части отложений, которые вымываются или остаются в русле. Задача сводится к разделению состава русловых отложений на части, разграниченные определенным диаметром наносов, и определению средневзвешенных крупностей разделенных частиц. Если из существующих способой /Шафернак.Шоклич,Г.В.Лопатин и др/ при -нять способ Г.В.Лопатина, то средневзвешенная крупность частиц, содержащихся в пределах диаметров от до , определяются уравнением

/ - / . <*(, . не.

При рассмотрении всего состава отложений от с/( до г/»,*,

р ,<< ё.---—~ ' д / з /

Для русловых отложений горных рек можно принять , что а, Тогда уравнение / 3/ преобразуется

_. - /_ / /4/

ТТгГ ^Г ~ ' ' ' '

При

<>0

.5 и преобладающем содержании крупных фракций /рЛ-10 определим параметры (и ,

/5/

«у

г £

Изменяемость состава отложений в процессе русловых переформирований определяется динамикой изменения гидрологического режима

и гидравлики водного потока. Бри производстве инженерных расчетов необходимо учитывать состав части отложений, отделяющихся от естественной отмостки при соответствующей транспортирующей способности потока.

Приняв в качестве допустимой среднюю неразмывающую скорость руслового потока по формуле В.Ф. Талмаэы, максимальная крупность смеси донных наносов определим уравнением

При ]) > можно считать, что средняя крупность влекомых наносов равна средней крупности русловых отложений. При Ъ¿¿^средняя крупность мелкозернистой части мельче _/) определится уравнением

При условии , что с/(

/9/

Специфика горных рек, сложенных гравелисто-галечными отложениями, заключается, как отмечает К.В.Гришанин, в затрудненности глубинной эрозии, относительно малых глубинах и высотах донных гряд. Соизмеримость вертикальных размеров донных гряд и зернистой шероховатости определяет превалирующую роль последней в сопротивлении русла. Поэтому решение вопроса об устойчивости русел горных рек может быть

сведено к устойчивости отмостки. ,, ,,

2 И

Приняв по рекомендации К.В.Гришанина параметр пеРе~

менной величиной для рек с гравийно-галечниковыми отложениями и решая его совместно с уравнением неразмывающей скорости, получим вы-

"Заражение М , зависящее от максимальной крупности передвигаемых наносов J) . В случае транзитного продвижения наносов средней крупностью, равной средневзвешенному диаметру русловых отложений cf^, , можно считать, что максимальная крупность транспортируемых наносов равна максимальной крупности русловых отложений dтаг • ® этом случае можно говорить о параметре , соответствующем устойчивому руслу при заданной его морфометрии, определяемой величинами би U . Состояние устойчивости русла оценивается соотношением величин М и М, . Их отношение может быть определено критерием расчитывае-

мым уравнением z

l-mHtL^XX /ю/

При I русло устойчиво, аккумуляция наносов характеризует-

ся соотношением ^>1, эрозия - I.

Уравнение / 10 / определяет зависимость состояния устойчивости русла от состава русловых отложений, гидравлического уклона и сопротивления русла, определяемого параметром tn и относительной зернистой шероховатостью

f

В работе рассмотрены взаимосвязи параметров устойчивости разных авторов. Анализ изменяемости параметров В.М.Лохтина У( ,И.И.Леви ^ ,С.Т. Алтунина А, B.C. Лапшенкова ^ по длине километрового участка р.Быстрицы / Рис.1./ показывает, что величины V, и У^ ко-леблятся примерно в одних пределах.

Сопоставление графиков

с фактическими деформациями дна реки свидетельствует о несоответствии направленности эро-зионно-аккумулятивного процесса. Аналогичное положение наблюдается и в отношении параметра А . Несколько большее соответствие фактическим деформациям и величине можно отметить в отношении изме -

(01 и*

4

4

и,.«

60

го со

I

Рис. 1. Оценка состояния устойчивости русла параметрами разных авторов а - параметры У! (1), Уэ (2), А (3), (4); б - параметр 5 к;

в - совмещение линий дна реки Быстрицы до (1) и после (2) паводка 1984 г.

нения параметра по длине указанного участка реки.

Выполненное сопоставление в оценке устойчивойти русла параметров других авторов с критерием ^к. позволяет сделать вывод о преимуществе последнего в связи с его большей физичностыо и учетом большего числа действующих факторов.

Параметр. ^ по-существу выражает состояние устойчивости русла в поперечном сечении водотока. Предельно устойчивыый уклон % может буть получен из условия .= I и является характеристикой . некоторого равновесного продольного профиля

Анализ величин Эу применительно к паводкам 1980 г. и 1984 г на р.Быстрице показывает, что с увеличением расхода воды в каждом расчетном створе продольный уклон, обеспечивающий транзитное продвижение наносов, уменьшается, т.е. с увеличением динамических характеристик водного потока фактический уклон водной поверхности имеет тенденцию к увеличению по сравнению с предельной величиной ^ при соответствующей морфометрии русла.

Приведенный анализ устойчивости русла характеризует русловой процесс, относящийся к поперечному сечению в створе реки. При анализе изменений гидравлико-морфометрических характеристик водного потока во времени применительно к расчетному створу по-существу решается плоская задача. Решение тех же задач в пространстве в современных условиях развития теории руслового процесса вызывает серьезные затруднения. Несколько приблизиться к познанию природы эрозион-но-аккумулятивного процесса позволяют характеристики интенсивности русловых переформирований, определяющие степень устойчивости русла на участке реки между расчетными сечениями.

/П/

Для более четкого выражения направленности руслообразовательг.. ного процесса параметр £ к, представляется в виде

/12/

При 0 русло относительно устойчиво, -. преобладают деформации занесения ; ^ ^ О - преобладает эрозия.

Интенсивность эрозионно-аккумулятивного процесса на участке реки рассматривается в направлении движения водного потока от верхнего створа к нижнему. Принципиальные типы интенсивности: увеличение соответствующего вида деформаций ; уменьшение соответствующего вида деформации; тенденция к изменению соответствующего вида деформации э верхнем створе на противоположный в пределах расчетного участка: а/ с преобладанием вида деформации,имеющего развитие в верхнем створе: б/ тоже - в нижнем створе.

Интенсивность русловых переформирований на расчетном участке реки определяется между нижним по течению расчетным створом/ ^ / и верхним / ^ /.

Результат руслового переформирования на данном участке характеризуется приращением параметра устойчивости

/13/

Степень относительного переформирования определяется коэффициентом интенсивности „

•С--^ V»/

Уравнение / 14 / может быть представлено в виде

Решение вопроса о типе эрозионно-аккумулятивного процесса включает совместное рассмотрение параметров направленности и интенсив-

ности. С этой целью предложена классификация русел горных рек по устойчивости / табл. /

На расчетном участке реки можно считать русло устойчивым при относительной стабилизации эрозионно-аккумулятивных процессов в нижнем створе, т.е. ^ =0 ; ^ = 0. При этом в верхнем створе могут быть заиление или эрозия. Неопределенность такой ситуации можно компенсировать уменьшением длины расчетного участка. При^>| деформации на расчетном участке реки прогресируют / заиление при а^ > 0 , эрозия приА^<о/. Случай I соответствует транзитному продвижению наносов. При 0^ г. \ на расчетном участке эрозионные или аккумулятивные процесса затухают. Если *Р , то на границах расчетного участка реки действуют руслообразовательные процессы противоположного направления, баланс и направленность которых определяется величиной а^ .

Солгасно предлагаемой классификации наиболее приемлемыми типами эрозионно-аккумулятивного процесса является "Л или . При прогрессирующем заилении и наличии относительно небольших продольных уклонов с целью увеличения средних скоростей потока целесообразно сужение междамбового пространства / Рис. 2 /. Аналогичен принцип выбора состава регулировочных работ при других типах эрозион-но-аккумулятивного процесса.

Введение параметров, характеризующих направленность и интенсивность эрозионно-аккумулятивного процесса, объединение их в определенную функциональную систему и приведение к участку соответствующей длины позволяет перейти к более обоснованному назначению соответствующих регулировочных мероприятий.

Разработанная классификация русел горных рек по устойчивости позволяет качественно оценить эрозионно-аюсумулятивную направлен-

Таблица-.

Классификация русел горних рек по устойчивости

Состояние устойчивости русла и общая характеристика эрозионно-аккумулятивних процессов Параметр интенсивности Ф Параметр устойчивости Тип : Э А П : Индекс типа Э А П ¡Направленность руоловых переформирований на расчетном :участке реки

Неустойчивые участки реки с > I > о 3* : 1.1 : Аккумуляция наносов

прогревирующими процессами 1. О Ш : 1.2 : Эрозия

Транзитное продвижение нанооов I - т.п.н. : г : Отсутствие деформации

Относительно уотойчивые участки т п > О П : 3.1 : Аккумуляция наносов

русла з затухающими процеосами с О Э* 5 3.2 : Э Р 0 3 И Я

Затухание русловых переформирований к ^анцу участка (отсутствие деформаций в нижнем створе) О > О Э - 0 ; 4.1 : Аккумуляция в верхнем сшоре

г О Э - 0 : 1.2 : Эрозия в верхнем створе

Умп'отки Преобладание деформаций, русла пови- РаЭВШ)™™ В веРХН6М шсппоП им ■ створе 0...-1 л. О (Э) -3 : 5.1 : Преобладание эрозии

> О (а) 5.2 : Преобладание аккумуляцщ

тенсивности: Равновеликие деформации -I ■ О Э - 3 6.1 ' : Переход от эрозии к а<х)муляци1

орозионно- : разного знака в проти-аккумулятивццх воподожных створах > О 3 — 3 : 6.2 : Переход от аккумуляции к эроЗ

процессов Преобладание деформаций, -I О Э - (Э) : 7.1 : Преобладание аккумуляции

развивающихся в нижнем , створе > О 3 : 7.2 : Преобладание эрозии

Затухание деформаций щу ууоогрлга, <р-0 Отсутстёие »Зарорггаци/} 6 нижнем с/п£оре

3—0 dy.rO . Э-—0

Участ/си русел ло£ыи/еннаи интенсивности эрозиамно - а>/с/су/чуига/7ти6//ого лроцееесг

/7рео&гааЬ?/ие> ра'Зб иЗо/оси ихср £ &ерхм

с/7?вор в ' дедрор/юций , О* _

сис/ттемо запруд

Сижениг межданбо-4Ь*о лоос/77. а ¿епхм.

ОгЭ

Аккумуляции

Эрозии

4<о

лрогттиХазрозиоя. ■ ягглузг

Л ¿еох". ^а с/т? и

Ра деформации разного ¿наха </,--/ _

3-~Э

Э~3

/7р еобладание раз ¿ибо/ощижся 6 нижнем с/77 £ аре дедоар /чоций , V, <-/ ____

Расширен, меж&вяд. простр.

7/30*171/боэр*

мероггриЛг/ттия ножн. части уу-но

оазиор.

Эрозии

Яхкуму-лзгции

<}у<0

Лиеение нелс-

-ЗонОов. простр.

днихм части

Расширен, неждамй. простран.

Рис. 2. Типы эрозионно-аккумулятивного процесса (Э.А.П.)

горных рек.

ность руслового процесса и дает возможность.. предусмотреть соответствующие инженерные мероприятия по его регулирован;®.

В четвертой главе рассмотрены отдельные проявления процесса

»

ззаимодействия зодного потока и русла горной реки, позволившие получить гпдроморфэметрпчэские зависимости и закономерности формирования ложа русла.

Рассматривая русловой процесс, как чрезвычайно многофакторкый можно всэ совокупность факторов разделить на две группы, одна из которых способствует развитию движущих сил водного потока, а зто-рад-определяет силы сопротивления. В результате их взаимодействия формируется поперечное сечение и продольный профиль реки. 3 связи с кратковременностью русло-^формирующего паводка на горной реке русло в каждую его фазу не успевает прийти в соответствие с транспортирующей способностью потока, что затрудняет установление связи состава отложений с гидрологическим режимом паводка, гидравликой зодного потока. Видимо имеет смысл сопоставление состава русловых отложений с некоторыми количественными интегральными показателями сформированных поперечных сечений.

Приняв параболическую аппроксимацию зависимостей от глубины иирины водного потока £(А) и площади живого сечения (¿Ш , получены соответственно коэффициенты 9г. и показатели степени С,^ £г , характеризующие морфометрическое строение поперечного сечения речного русла.

Обычно мы располагаем данными о составе отложений в межень, который можно считать некоторой интегральной характеристикой русловых процессов, происходивших в предыдущие паводки. Поэтому предпринята попытка отыскания морфометрических характеристик в расчетном створе без привязки их к определенному мгновенному гидрологическому и гидравлическому режиму. Такими интегральными характеристиками могут быть £■> • Соотношение между ними может

- зо-

быть выражено зависимостями

} л

Ь ' / 17 /

Мор^. метрические соотношения, характеризующие поперечное сечение русла, применительно к горны:.! рекам претерпевают значительные количественные изменения по длине водного потока и тем самым не могут не оказать существенного влияния на его кинематику. При рассмотрении неустановившегося движения водного потока в пазодок на участке с резко изменяющейся морфаметрией по длине реки приходится сталкиваться с проблемой учета инерционных характеристик. 3 этом отноаении представляет интерес величина скорости добегания ^ , широко применяемой в гидрологии и определяющей скорость распространения расхода воды по длине реки в разные фазы паводка. Параболическая аппроксимация @(и:) уравнением ЦО3 приводит к соотношению Сз^^ , где V -средняя скорость потока. Численные значения <0 для расчетных створов р.Быстрицы находятся в пределах - 1»3-~2,6, что

соответствуют рекомендации Г.В.Нелеэнякова.

Таким образом получение интегральных характеристик, определяющих индивидуальные особенности створа реки, позволило развить новый подход к морфометрическому обобщению поперечного сечения горной реки и при необходимости располагать объективной гидрологической информацией, з том числе полученной по данным дистанционного зондирования.

3 пятой глазе, приведены результаты исследований процесса русловых деформаций регулируемых участков горных рек.

Для гидрологических условий формирования паводкоз на горных

реках, допуская бесструктурное перемещение наносоэ при преобладающем сопротивлении зернистой шероховатости, разработана модель общих переформировании в поперечном сечении русла. Ее. реализация на практике осудестзл;.ется по-новому путем численного интегрирования дифференциального уравнения деформации русла.

Принимая аирину потока значительно превосходящей среднюю глубину, пренебрегая концнтрацией взвеаенных наносов и влиянием деформаций дна на положение свободной поверхности, уравнение деформации русла приводится к виду.

-±-. ^ _ ЪИ . 0 . тя ,

где: - удельный /объемный/ расход наносов в плотном

теле.

Приведя функцию \(у) к виду^-ДИ^ уравнение / 18 / преобразуется с введенеим величины

н

/19/

Величина деформации в расчетном створе

/20/

Пределы интегрирования и определяются в интерзале периода руслоформирования.

Iи

Величина является показателем интенсивности и направленности руслового процесса, так как изменение средней глубины по длине потока определяет изменение поперечных сечений, их формы, а значит и средней скорости.

Выполненные на основании уравнения / 20 / расчеты русловых деформаций не учитывают изменяемости ширины русла по длине реки. Анализ натурных данных по р. Еыстрице и другим горным рекам показал, что изменяемость В по длине реки значительна. Более того, для ряда горных рек, особенно обвалованных, значение В соизмеримо со средней глубиной. Поэтому представим полное уравнение деформации русла, попреетему пренебрегая концентрацией взвешенных наносов

(в /21/

Учитывая соотношения В^ , -д-- ^ 1

получим уравнение / 21 / в виде

/V/

и интегрируя в интервале периода руслоформирования, определим величину прогнозируемой деформации

-к ■

/23/

Прогнозируемые деформации /Рис.3/ в основном подтверждаются фактическими деформациями в паводок 1984 г. В связи с разрушением перепада в паводок4380 г. и снижением базиса эрозии в нулевом стзорр на всем вышележащем участке реки преобладают эрозионные процессы, общая направленность которых подтверждается идентичностью позедения .

Рис. 3. Вертикальные деформации русла тестового участка р. Быстрицы в паводок 1984 г. а - расчетные (1) и фактические (2) деформации; б - линии дна реки до (1) и после (2) паводка.

линий расчитанных и фактических деформаций. Несколько меньшее соответствие линий прогнозируемых и натурных данных в верхней части тест вого участка реки объясняется выходом скальных пород в русле в районе створов 6-8.

Учитывая специфику горных рек, имеющих относительно небольшие глубины и достаточно высокие скоростидеформации русла составляют величины,превышающие принятые допустимые величины. Принимая во внимание, что в период паводка деформации влияют на изменение скоростной структуры потока, можно рекомендовать их расчет выполнять в несколько этапов, разделяя время расчетного руслоформирования на более мелкие интервалы.

Приведенные закономерности позволяют выполнить в первом приближении инженерный прогноз общих вертикальных деформаций горных рек с учетом изменяемости гидравлико-морфометрического режима на расчетном участке русла при соответствующем гидрографе паводка."

В практике хозяйственного использования горных рек широко распространены эрозионно-аккумулятивные процессы с преобладающей направленностью деформаций продольного профиля русла, зависящей от характера изменения положения базиса эрозии.

Возведение подпорного сооружения поднимает и закрепляет базис эрозии, что способствует некоторому затуханию эрозионной деятель -ности в верхнем бьефе и установлению нового ^положенного продольного профиля. Таким образом перед подпорным перегораживающим сооружением формируется участок вновь образованного русла в виде призмы занесения наносами;' длина которой зависит от многих факторов, определяемых высотой запруживания ¡10 и соотношением уклонов линии занесения и первоначального русла.

Предполагая параболическую форму продольного профиля первона-1 чального и вновь сформированного русла перед подпорным сооружением,

определим высоту занесения/ деформацию/ русла на расстоянии X от запруды .

^ = , /24/

где : относительное расстояние от подпорного сооружения;

^^ Л-. - показатели степени парабол, аппроксимирующих первоначальное и занесенное русло, в.относительных координатах ;

А0— высота подпорного сооружения / повышение базиса эрозии / ;

к - превышение дна в пределах призмы отложений . По данным натурных наблюдений, используя в качестве исходной информации гидроморфометрические характеристики, применен метод оценки устойчивости русла, сформированного выше подпорного сооружения.

Анализируя изменения гидравлико-морфометрических параметров и критерия Х^по длине потока в пределах призмы отложений, трудно определить какую-либо четкую закономерность. Однако,рассматривая соотношение идентичных величин в одних и тех же створах, но при естественном и занесенном русле, можно отметить достаточно четкие качественные закономерности. Средняя скорость, за редким исключением, в запруженном русле меньше, а средние глубины уменьшаются и увеличиваются примерно в равном числе случаев. Видимо причину следует искать в совершенно произвольных условиях формирования природных факторов, определяющих морфометрию каждого створа. Можно зафиксировать более четкую тенденцию к увеличению коэффициента Шези и к уменьшению коэффициента шероховатости. Совершенно очевидна закономерность уменьшения максимальной крупности передвигаемых наносов по мере уположе-ния дна потока перед запрудой.

В случае поднятия и закрепления базиса эрозии для оценки состояния устойчивости русла, расположенного вше подпорного сооружения, приравнивая уклон водной поверхности уклону призмы отложений на относительном расстоянии от запруды, величина критерия определится уравнением :

Приведенные результаты англиза эрозионной деятельности малых горных водотоков дают возможность выполнить прогноз занесения призмы отложений перед запрудами, определить необходимость последующего наращивания запруд и расстояние между запрудами. Такая постановка задачи позволяет разместить систему запруд при относительной стабилизации эрозионной деятельности горного водотока.

Решение разного рода инженерных задач в условиях повышения базиса эрозии обеспечивает на вышележащем участке аккумулятивный процесс, направленность и интенсивность которого зависит в основном от высоты построенного сооружения и ыорфометрии русла в его верхнем

Инженерная практика гидротехнического строительства и других видов антропогенного влияния на естественный режим реки богата случаями, когда русловые переформирования на вышележащем участке реки являются результатом снижения базиса эрозии в определенном расчетном

жить снижение базиса эрозии горной реки в местах разработки гравийных карьеров. Процесс формирования продольного профиля вышележащего участка реки происходит во .взаимосвязи активных сил,определяющих транспортирующую способность потока, и сил сопротивления с преобладанием зернистой шероховатости. На определенном этапе такого взаимодействия должен сформироваться некоторый мгновенный профиль равнове-

/ 25 /

бьефе.

створе. Наиболее характериным примером в этом отношении может слу -

сил, характеризуемы;"! транзитным продвижением наносов средневзвешенной :-:рут:ност:1, соответствующей состазу руслозых отложений.

Если з качзстзе критерия устойчивости русла принять ;е-лпчину , то уклон профиля равновесия з первом приближении монет характеризоваться формулой / II /.

Образование реального продольного профиля з этом случае представляет процесс еще более многофакторный, чем заиление верхнего бьефа подпорного сооружения. При повышении и закреплении базиса эрозии формирование вышележащего русла обладает более определенной направленностью, чем при снижении. 3 таких случаях базис эрозий не закреплен и снижается з процессе русло-формирования. Поэтому резение практичаских задач прогноза русловых переформирований должно выполняться с помощью приведенных выпе уравнений методом постепенного приближения.

В иестой главе пред.>яожены методы прогноза русловых деформаций горных рек, основанные на результатах натурных исследован ний.

Инженерный прогноз русловых деформаций включает расчеты возможных изменений поперечных сечений и продольного профиля русла, одновременный учет которых средства.™ гидродинамики и теории руслового процесса представляет достаточно сложную задачу. В этой связи выделяются два вида задач: приведение возможных русловых переформирований к расчетному поперечному сечения с предварительны-! определением положения продольного ограждающего сооружения; расчет переформирований продольного профиля, вызванных соответствующим изменением базиса эрозии.

3 результате проведенных натурных исследований разработаны методы прогноза руслозых деформаций горных рек, обеспечивающие по сравнению с существующими методами более поляк:" учет действую-

щих гндразл^кэ-морфометричаских факторов и оптимальных технико-экономических условий.

Предлагаемые методы характерны тем, что расчетное положение дамбы и прогнозируемая средняя деформация в каждом створе определяется с учетом изменения во времени з период цаводка основных гидравлических и морфометри^еских параметров водного потока.

Исходную информацию для расчета составляют: расчетный гидрограф паводка заданной обеспеченности, гранулометрические и морфрыетрические характеристики в данном створе, кривые расходов при разных положениях дамбы.

Оценка устойчивости обвалованного русла выполняется на участке реки, ограниченном нижним по течению /расчетном/ и верхним створами, в последовательности, приведенной на рис. 4.

Расчету должно предшествовать размещение дамбы обвалования в нескольких положениях с соответствующим'построением кривых свободной поверхности при характерных расходах воды в пределах рус-лоформирующей части гидрографа паводка заданной обеспеченности.

Определение прогнозируемой средней деформации русла необходимо приурочить к руслофоршрующей части конкретного гидрографа паводка. Тем самым расчет русловых деформаций учитывает динамику изменения в период паводка транспортирующей способности и гидрав-лико-морфометрических характеристик водного потока с учетом сопротивления русла и влияния эрозионно-аккумулятивного процесса з данном .створе на нижележащий участок реки.

Высотное изменение-базиса проводит'к энергетическим переформированиям водного потока и следовательно к переформированиям русловым. При этом соответствующая направленность зрозионно-аккуцулятивного процесса находит выражение в преимущественном формировании нового продольного профиля.

Рис. 4. Последовательность определения типов Э.А.П. на горных реках.

Инженерные задачи при искусственном повшении базиса эрозии решаются в условиях подпора, создаваемого перегораживающим сооружением. При этом верх сооружения фиксирует постоянный в пространстве и зо времени базис эрозии, хотя строго говоря, наблюдается некоторая изменяемости зо времени за счет переменных уровней воды, переливающейся через гребень сооружения при разных расходах.

В основу метода прогноза положены условия при которых вновь сформированное русло в пределах призмы отложений вырабатывает в конечном счете устойчивые продольный профиль и поперечные сечения^

Задача прогноза - расчет и построение поперечных и продольных профилей горного водотока, образованных после занесения наносами верхнего бьефа перегораживающего сооружения, определение основных гидравлических параметров потока, в оценка состояния устойчивости русла в створах по длине регулируемого участка.

Прогнозирование продольного профшя занесенного русла включает прогноз продольных уклонов, поперечных сечений /Рис.5/, крупности русловых отложений и оценку состояния устойчивости русла.

Качественные и количественные изменения в русле при повышении! базиса эрозии, как правило, сводятся к аккумулятивной направленности руслового процесса. Обратный физический процес происходит на вышележащем участке реки при снижении базиса эрозии.

При инженерных расчетах в практике проектирования задача сводится к последовательному построению линий прогнозируемого дна русла с уклоном ^ в расчетных створах в направлении, противоположного, течению реки. Построений таким образом продольный профиль дна реки соответствует транзитному продвижению наносов, состав ' и крупность которых определяются транспортирующей способностью потока при расчетном расходе воды.

Рис. 5. Схема к расчету гидравлических параметров водного потока в расчетном створе призмы отложений наносов.

Применяемые инженерные методы проектирования должны быть оценены с точки зрения их экономической целесообразности, при этом учитываются капитальность сооружений, степень возможной ликвидации ущерба от паводков расчетной обеспеченности и состояние эрозионно-аккумулятивного процесса при соответствующем гидравлическом режиме.

Предлагаемая методика технико-экономического анализа работы ограждающих и перегораживающих сооружений доведена до уровня инженерного расчета и может быть использована в проектной и эксплуатационной практике регулирования горных рек.

Полученные в работе результаты имеют определенное региональное значение, так как учитывают специфику гидроморфологических условий функционирования горных рек Карпат, для которых нет нормативных документов, регламентирующих проектирование и эксплуатацию регулировочных сооружений.

ВЫВОДЫ

1. В работе разработана новая концепция проблемы устойчивости русел горных рек, основанная на фундаментальных представлениях о механизме русловых переформирований. Новая концепция состоит в том, что устойчивость русла оценивается с точки зрения его недефориируемости в пространстве и во времени. Рассматривается не устойчивость отдельно лежащей чпстицы на дне реки, а равновесие между транспортирующей способностью потока.и сопротивлением русловой отностки с учетом гидроморфоиетрни и активности русла.

2. Создана гндравлзко-морфонетряческая модель процесса взаимодействий наносонесущего водного потока с руслом, включающая получение соответствующих новых научных подходов и закономерностей:

I/. Новый подход.к анализу гранулометрического состава русловых отложена® и данных, наносов.

а/ параболическая аппроксимация состава русловых отлозений с переменными параметрами ;

б/ функциональные зависимоста для расчета индивидуальных интегральных параметров.

в/ метод разделения состава отложения на части, выделения подвижной часта / .

2/. Анализ эрозионно-аккумулятивной деятельности горных рек. а/ предложен критерий устойчивости русла, учитывающий его иорфометрню, грансостав и скоростную структуру потока.

. б/ разработан механизм эрозионно-аккумулятивного процесса на расчетном участке горной реки с введением новых параметров направленности и интенсивности.

в/ впервые разработана классификация русел горных рек по устойчивости, определяющая типы эрозионно-аккумулятивного процесса и соответствующие им инженерные мероприятия.

3/ Цикл зависимостей, составляющих гидроморфометрическое обеспечение инженерных прогнозов эрозионно-аккуыулятив-ных процессов.

а/ обобщенные гидроморфометрические зависимости, б/ зависимости, определяющие шероховатость и пропускную' способность русла.

в/ норфометрическое обобщение поперечного профиля реет.

3. Применительно к гидрологическим условиям формирования паводков на горных реках разработана модель общих переформирований в поперечном сечении русла, которая реализуется по-новому путем численного интегрирования уравнения деформации с учетом скорости распространения соответствующей фазы руслового процесса.

4. Впервые разработана гидравлико-морфометрическая модель формирования призмы отложений наносов перед перегораживающим сооружением и дана оценка эрозионной деятельности горной реки при снижении базиса эрозии.

5. Определен масштабный коэффициент крупности донных наносов горных рек из условия обеспечения идентичной степени устойчивости русла. Из тех же предпосылок выведена зависимость, связывающая характеристики разных водотоков-аналогов примерно одного морфологического порядка.

6. В результате выполненных натурных исследований разрабо-. таны новые методы прогноза русловых переформирований горных рек, обеспечивающие по сравнению с существующими методами более пол-

ный учет действующих гидравлико-мэрфометрических факторов и оптималннвх технико-экономических условий. Предложенные методы инженерного расчета применимы для лйбой горной зоны с учетом особенностей соответствующего региона.

Полученные закономерности явились основой решения следув-щих инженерных задач :

- определение положения ограждающего сооружения с обеспечением оптимальных условий устойчивости русжа;

- расчет общих русловых деформаций в створе реки при исходных гадравлико-морфологических условиях и принятом гидрографе паводка ;

- прогноз изменения продольного профиля русла горного водотока при регулировании его системой перегораживающих сооружений, повивающих и закрепляющих базис эрозии;

- прогноз изменения продольного профиля русла вышележащего участка горной реки цри снижении базиса эрозии;

- технико-экономический раччет эффективности строительства ограждающих и перегораживающих сооружений.

7. Разработаны морфометрические приемы, позволяющие использование дистанционной информации при определении гранулометрии русловых отложений, пропускной способнвсти горной реки,построении кривых расходов воды.

8. Решаемые задачи являются составной частью проблемы создания рациональных методов проектирования и эксплуатации регулировочных сооружений на горных реках. Существенным вкладом в решении данной проблемы служат разработанные нами и доведенные до уровня инженерного использования методы прогноза русловых переформирований с совмещением гидродинамических и лорфометри-ческих приемов.

9. Эффект от реализации на практике научных разработок автора обеспечивается активным подходом к использованию водных ресурсов, предусматривающим прогноз возможных русловых деформаций при обеспечении экологического равоновесия горной реки.

Достоверность полученных результатов подтверждается применением аппробированрого научного базяса - общепринятых методов натурных и экспериментальных наблюдений, преобразованием

основных теоретических уравнений динамики русловых потоков,

; >

проверки разработанные моделей эрозионно-аккуцулятивного процес-

I

са на реальных объектах - регулируемых участках горных рек раз-:; ных порядков региона Украинских Карпат.

10. Решение поставленных задач в данном исследовании дает основание надеяться, что выполненная работа является существенным, вкладом в развитие нового перспективного направления в инженерной гидрологии - прогнозирование русловых деформаций рек горно-предгорной зоны, основанное на использовании.данных о динамике потока и морфометрии русла. Тем самым решается важная народнохозяйственная задача, связанная с освоением и использованием горных рек.

Основное содержание диссертации отражено в-работах:

1. КАГАНОВ Я.И. Гранулометрический состав донных отложений на горных водотоках. - В.сб."Мелиорация и рациональное использование -мелиорированных земель". Дубляны.1970./на украинском языке/.

с.76-84.

2. КАГАНОВ Я.И. Анализ работы противоэрозионных.сооружений на горных водотоках. -Науч.тр.Львов, с-х ин-та. Эрозия почв в западных областях Украины, 1974, т.54, с.35-42.

I

3. КАГАНОВ Я.И. К вопросу о противопаводковой защите затапливаемой территории. - Научн.тр. Львов.с-х ин-та. Вопросы землеустройства, использования и оценки земель в западных районах УССР и МССР, 1974, т.51. с.158-165.

4.' КАГАНОВ Я.И. Гранулометрический состав русловых отложений и донных наносов горных рек. - Научн.тр.Львов.с-х ин-та. Исследование эрозионных процессов на горных раках Карпат, т.62 1975. с.40-52'.

5. КАГАНОВ Я.И. Устойчивость обвалованных участков горных рак,-Научн.тр.Львов.с-х ин-та. Исследование эрозионных процессов на горных реках Карпат т.62. 1975. с.13-26.

6.'КАГАНОВ Я.И. Влияние системы запруд на стабилизацию эрозионной деятельности горных потоков. Научн.тр.ВАСХНиЛ. Противоэрозион-ные гидротехнические мероприятия и орошение в горных условиях. М., 1976. с.68-78.

7. КАГАНОВ Я.И. Переформирование русел горных рек. - Научн.тр. Львов.с-х ин-та. Вопросы мелиорации и лесоводства в западных районах УССР. 1977. г.73. с.50-54.

8. КАГАНОВ Я.И., КАСПРУК В.А. Технико-экономический анализ обвалованных территорий. - Научн.тр.Львов, с-х ин-та. Вопросы мелиорации и лесоводства в западных районах УССР.1977.Т.73 с.43-50.

9. КАГАНОВ Я.И. Оптимальное размещение дамб обвалования рек горно-предгорной зоны.-Научн.тр.Львов.с-х ин-та. Архитектура,планировка : и застройка сельских населенных мест.1979.т.87.с. 96-105.

10. КАГАНОВ Я.И. Противопаводковая зашита населенных пунктов в предгорной зоне.Науш.тр.с-х ин-та.Архитектура строительства, планировки и благоустройство сельских населенных мест западных областей УССР и ЫССР. 1980.Т.90.С.Н0-П5.

11. КАГАНОВ Я.И. Руслоформирующиа расходы воды на горных реках.-'Научн.тр.Львов.с-х ин-та. Мелиорация и лесоводство в западных районах УССР.1980. т.8*8. с. 15-21.

12. КАГАНОВ Я.И. Эрозионная деятельность горных рек и прогноз русловых деформаций.- Научн.тр.Львов с-х ин-та. Мелиорация и лесоводство в западнях районах УССР.1980. т.88.с.21-25.

13. КАГАНОВ Я.И. Русловые переформирования при регулировании рек горно-предгорной зоны.- Львов: Вшда школа.Издат.• дри Львов, ун-те. 1981. с.120.

14. КАГАНОВ Я.И. Русловой процесс при обваловании горных ре». -Эффективное использование пойменных земель западных районов УССР. Тр.Львов.с-х ин-та. 1983. с.9-16.

15. КАГАНОВ Я.И. Классификация русел горных рек по устойчивости. Тезисы докладов Всесоюзной научной конференции "Исследование русловых процессов для практики народного хозяйства", М. ,Из-во Моск.ун-та. 1983. с.170-171.

16. КАГАНОВ Я.И. Инженерный прогноз русловых деформаций горних рек. Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Динамика и термина рек, водохранилищ и эстуариев" Т.П. М.1984. с.39-42.

17. КАГАНОВ Я.И. Оценка устойчивости и прогноз деформаций русел горных рек и использование данных дистанционных измерений.-Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Исследование гравита-

ционного поля и природные ресурсы земли космическими средствами", Львов, 1984. C.I20-I2I.

18. КАГАНОВ Я.И. Устойчивость русел обвалованных участков горных рек. Проспект. Львов. 1985. с.З.

19. КАГАНОВ Я.'Л., КРИЛОВСКАЯ Л.А. Дистанционное зондирование для целей противопаводковой защиты земель. -3 сб. : Зегллеустройство сельскохозяйственных предприятий в условиях агропромышленного комплекса. - Львов, с-х ин-т, 1986, с.86-89.

20. КАГАНОВ Я.И., ШАБЕЛЬНИКОВА З.А. Оценка устойчивости русла и прогноз русловых деформаций горных рек с помощью многозональных изображений. Тезисы докладов II Всесоюзной конференции "Автоматизирование системы обработки изображений. Наука.M.1986,с.202.

2I-. ВОЛОСЕЦЮЙ Б.И.,КАГАНОВ Я.И. Использование морфометрическлх зависимостей, определяемых из геодезических наблюдений, для прогноза русловых деформаций. -Геодезия,картография и аэрофотосъемка,вып.43.Респ.межвед.научн-гтехн.сб.Львов: Выша школа.Из-во при Львов.ун-те. 1986. с.10-15.

22. КАГАНОВ Я.И. .Золосецкий Б.И..ГРИГОРЧУК P.A. .ИЛЬКИЗ Р'.Р. Прогноз типов эрозионно-аккумулятивных процессов при проектировании инженерных сооружений на реках горно-предгорной зоны. Геодезия, картография и аэрофотосъемка. -Львов.1987.-Вып.45.-с.32-37.

23. КАГАНОВ Я.И. Гидроморфометрзческие характеристики естественного водного потока.Meтеорологгя, климатология и гидрология: Респ. междувед.научн.сб. - 1987. -Вып.23.-с.19-23.

24. КАГАНОВ Я.И. Активность русловых отложений горных рек. Тезисы докл.1У Всес.научи.конфер.-М.,Из-во Моск.ун-та,1987,с.336-337.

25. КАГАНОВ Я.И. Выступление в дискуссии, тр.У Всесоюзн.гидролог, съезда,томЮ.Русловые процессы и наносы,кн.2.Л. 1988.с.345-346.

26. КАГАЙОВ Я.И. Инженерный метод оценки состояния устойчивости русла горной реки.Тезисы докл.И научн.конфер.по проблемам водных

ресурсоз Дальневосточного экономического района и Забайкалья, секция 2,Владивосток, 1288.с.73-75.

27. КАГЛНОЗ Я.Л. Инженерный метод оценки устойчивости русла горной реки, Лнформ.листок .',"'24-23.-К.: Укринформагропром, 1988.-5с.

28. лАГЛНСЗ л.Л. /¡кхенерны:"; метод оценки состояния устойчивости рус горной реки. Тезисы докл. 'й научн.конфер, по проблемам водных ресурсоз Дальневосточного экономического района и Забайкалье, секция 2, Владивосток, 1988.с.73-75.

• ,29. КАГАНОЗ Я.И. Общие деформации русел горных рек.//1У координацию „чое оопецаше по проблеме "Исследование русловых процессов на р ках и в устьях рек и разработка :летодоз их учета для различных отраслей народного хозяйства": Тез. докл.тЛуцк, 1289.-с.24-25.

ЗС. КАГАНОВ Я.И. Прогноз продольного профиля русла горной реки При сшЕхенш базиса эрозии.//III всесоюза конф. "Динамика и термлкэ рек, водохранилищ и окраинных морей:" Тез.докл.-Л,1989.-с.191-1

31. КАГАНОВ Я.Л. Прогнозирование русловых деформаций горных рек./Д ротехническое строительство.-1,1: Энергоатомиздат, 1920.-е.45-48.

32. КАГАНОВ Я.И. Размещение ограждающих сооружений на горных реках стадии изысканий и проектирования.//Геодезия, картография и asj фотосъемки.-Дьвоз: 3;ща школа, 1990.-вип.52,-с.20-25.