Режимы течения и русловые формы

Когда среднее сдвигающее усилие на дно аллювиального русла превышает критическое значение для материалов, из которых оно сложено, частицы начинают смещаться, тем самым деформируя изначально гладкое дно.

Характер дна и поверхности воды изменяются как характеристики потока и изменений наносов. Типы донной поверхности и поверхности воды классифицируются в соответствии с их характеристиками и называются режимами течения (Garde and Ranga Raju, 2000). Русловые формы влияют на сопротивление потоку, транспортировку наносов и турбулентность.

Образование русловых форм. Волнистость и деформации подвижного дна русел называются русловыми формами. В рамках одного из научных подходов незначительное вихревое движение на изначально ровной поверхности дна в определенных условиях вызывает поток и локальное перемещение донных частиц, приводящее к образованию впадин и гребней.

Деформации дна, формируемые таким образом, усиливают вихревое движение, которое, в свою очередь, увеличивает интенсивность размыва во впадинах и оседания частиц на гребнях, что ведет к формированию гряд и дюн. Развитие русловых форм при этом продолжается, пока не достигает стадии, когда факторы, связанные с увеличением русловых форм, не вмешаются и не ограничат дальнейшее их формирование.

Гряды и дюны, таким образом, достигают оптимального размера. Этот режим известен как ламинарный и начинается с началом движения. Гидравлическое сопротивление большое, а интенсивность переноса наносов незначительна. Русловой формой являются либо гряды или дюны, либо их совокупность. Сопротивление потоку обусловлено, главным образом, шероховатостью. Плоское дно, гряды и дюны — русловые формы в данном случае.

В некоторых других условиях процесс транспортировки наносов осуществляется таким образом, что размер впадин и гребней ограничивается, приводя к формированию плоского дна. Этот режим называется турбулентным. В этом случае гидравлическое сопротивление относительно мало, а интенсивность переноса наносов значительна. Обычные русловые формы — антидюны и плоское дно. Поэтому заранее нужно знать, какой режим преобладает в потоке, для того чтобы знать условия стока.

Переходная область охватывает русловые формы, которые образуются при переходе их ламинарного режима в турбулентный. Этот переход не является уникальным в гидравлике. На рисунке II.4.43 показаны русловые формы, упорядоченные по возрастанию интенсивности транспортировки наносов. Эти процессы описаны ниже (Simons and Richardson, 1961; Van-Rijn, 1984).

Рисунок II.4.43. Постепенные изменения в форме дна. По материалам Симонса и Ричардсона (1961 г.) с разрешения Американского общества инженеров гражданского строительства

Плоское дно. Когда среднее напряжение сдвига на дно меньше критического значения для донных отложений, движение донных частиц не происходит. Этот режим называется «плоское дно без движения частиц донных отложений», и в этом случае могут применяться закономерности движения открытого потока в устойчивом русле.

Гряды. Когда течение усиливается и вследствие этого увеличивается напряжение сдвига на дно, возникают незначительные трехмерные волнообразные деформации, называемые грядами. Они трехгранные по форме с плоским (низовым) тыловым и крутым (верховым) лобовым откосом. В случае донных гряд частицы движутся в основном по дну в виде донных наносов. Вода остается прозрачной, на поверхности наблюдается зыбь. Гряды движутся медленно по направлению течения.

Дюны. Когда расход воды увеличивается, размеры гряд растут, и они превращаются в дюны. Дюны также имеют трехгранную форму, но значительно больше по сравнению с грядами. Поток за каждой дюной разделяется и образует струи и сильную турбулентность. В результате наблюдается значительная потеря энергии и дальнейшее взвешивание донных частиц. Дюны также движутся в направлении течения. Число Фруда намного меньше единицы. Поверхность воды выглядит кипящей. Этот режим известен как «гряды и дюны».

Переходный режим. Если расход воды еще увеличивается, растет длина дюн, а высота их уменьшается, и дюны частично размываются. Число Фруда составляет 0,8 или близко к 1. На поверхности воды наблюдаются волны, характерные для стадии частично размытых дюн. Этот режим известен как «переходный» и является, как правило, очень нестабильным.

Режим антидюн. Дальнейшее увеличение скорости потока ведет к формированию в русле антидюн. В этом случае наблюдается постоянное волнение водной поверхности, антидюны медленно движутся против течения, даже если движение наносов происходит по течению.

Роль русловых форм. Русловые формы являются важными факторами, которые необходимо учитывать при строительстве речных водных путей по нескольким причинам. Гидравлическое сопротивление в основном связано с шероховатостью русла, которое в свою очередь зависит от геометрии русловых образований.

Движение крупных песчаных дюн мимо таких конструкций, как водозаборные колодцы и опоры мостов, может повлиять на их надежность из-за снижения уровня дна в подвалье дюн. Водозаборы и насосные станции могут пострадать при движении мимо них гребня дюны. Колодцы в этом случае могут быть занесены или утянуты большим количеством «плывуна».

При измерении расходов воды прохождение больших песчаных дюн может повлиять на глубины, уклоны и скорости течения в створах станций и таким образом уменьшить точность измерений.

Когда установлены кривые расходов, крупные перемещающиеся песчаные дюны могут вызвать разброс точек, и для одного и того же значения расхода воды могут быть получены значения уровня воды в широком диапазоне в зависимости от положения гряды относительно станции. Поэтому важно знать, какие русловые образования могут наблюдаться на рассматриваемом участке реки на различных стадиях формирования паводка.