Факторы эрозии, обусловленные русловым потоком. Факторы эрозии, вызванные волнами и судами

В широком прямом русле, в котором поток может быть представлен в двумерном виде, касательное напряжение на дне потока (τ) выражается следующим уравнением:

где γ — удельный вес воды, d — глубина потока, S — уклон водной поверхности (см. раздел 4.8). Глубина установившегося потока может быть определена по уравнению сопротивления потока, например Коулбрука-Уайта (Colebrook-White) или Маннинга (Manning). Энергия текущей воды и уклон водной поверхности эквивалентны уклону дна.

Чаще всего уклон дна определяется по топографическим данным. Таким образом, касательное напряжение на дне потока зависит от глубины потока и уклона русла и достигает максимума при прохождении максимальных расходов.

В прямых руслах определенной ширины особенности потока и распределение относительных скоростей определяется трением о берега и соответственно изменяется граничное касательное напряжение. Максимальное значение касательного напряжения наблюдается не при скоростях, соответствующих максимуму эпюры скорости, а в зонах даунвеллинга у берегов. Максимум касательного напряжения на наклонных берегах обычно равен 0,8 γdS.

В реках в связи с локальными особенностями в створе потока, такими как пороги и приглубые места, а также его геометрией в плане, наблюдается тенденция к образованию трехмерных структур. Возникающий вторичный поток искажает распределения средней скорости и касательного напряжения. В этом случае уравнение (4.13) дает только приблизительное значение среднего касательного напряжения.

Вторичный поток в меандрирующем русле вызывает пиковые значения касательного напряжения под внешним берегом излучины. Измерения распределения касательного напряжения на изгибах меандра предполагают, что отношение его максимального значения к среднему значению является функцией отношения ширины канала к кривизне, шероховатости берега и наличию меандрирующих излучин выше по течению (Apmann, 1972).

Максимальные значения касательного напряжения могут до трех раз превышать его среднее значение выше по течению. Очевидно, высокое локальное касательное напряжение на поворотах меандра вызывает соответствующую эрозию берега и размыв дна.

Любая местная особенность, например мост или плотина, может неблагоприятно повлиять на обычные структуры потока и вызвать местный размыв (Neill, 1973). Возникшие эффекты могут изменить распределение скорости, вызвав трехмерность поля скоростей или увеличение турбулентности. Такая концентрированная эрозионная деятельность сохраняется на некотором участке за препятствием, пока распределение скорости вновь не примет вид, типичный для данного русла.

В целом численное моделирование пограничного касательного напряжения в строго трехмерном потоке пока не возможно; и проведение полевых измерений в таких условиях также не представляется реальным. Однако для исследования особенностей потока и оценки их параметров широко используются физические модели (CIWEM, 1989).

Факторы эрозии, вызванные волнами и судами. Волновая деятельность порождает неустойчивое скоростное поле у берегов, которое может вызвать эрозию при условии сочетания следующих факторов:

а )касательные напряжения, вызванные колебательными движениями воды;
б) непосредственное воздействие потока на берег;
в) фильтрация в берега, как следствие неустановившихся внешних граничных условий.

Движение воды, вызванное судном, зависит от размеров и геометрических характеристик фарватера, а также от формы, размера, скорости судна и от курса судна. Элементы движения воды могут быть разделены на первичные и вторичные волны и винтовой след.

Влияние понижения уровня воды в сочетании с волновым воздействием и обратным течением может привести к серьезной эрозии берегов, особенно если коэффициент объединения высок. При наклонных берегах в качестве него может быть использована характеристика формы профиля берега S при заданном уровне воды (CIWEM, 1989).

В целом эрозионная деятельность винтового следа не сравнима с поверхностными эффектами от движущегося судна, но маневрирование судна или включение двигателя вблизи берегов может вызвать значительную эрозию. Вызванные работой винта скорости зависят от пропульсивной установки, установленной мощности двигателя и времени воздействия возмущения (Prosser, 1986).

Натурные измерения понижения уровня воды, волн и течений, вызванных проходящим судном, — лучший способ определения критерия защиты берегов. При отсутствии таких данных их значения могут быть оценены с использованием процедур, описанных в литературе (PIANC, 1987). Судно водоизмещением до 40 тонн при прохождении через малые реки и каналы в Соединенном Королевстве может создавать волны высотой до 0,4 метра и вызывать водотоки до 3 м х с^-1 (CIWEM, 1989).