книги / Особенности проектирования мостовых переходов при различных типах руслового процесса

B O B . Однако сравнительно узкая долина с трудно размываемыми берегами ограничивает развитие излучин, которые образуются пойменными масси­ вами, расположенными-в шахматном порядке.

Пойменные массивы с верховой стороны размываются, а с низовой - намываются. В результате этого излучина и сползает вниз по течению. Максимальные глубины потока располагаются у подмываемого верхового берега пойменного массива. Эти глубины зависят от радиуса кривизны излучины и ширины русла.

При ограниченном меандрировании, как и при побочневом типе руслового процесса, наблюдаются сезонные деформации плесов и перека­ тов. В меженный период перекаты частично размываются, причем продук­ ты размыва переносятся в соседние плесовые лощины, где, следовательно, происходит процесс намыва. Во время паводка наблюдается размыв пле­ сов и вынос продуктов размыва на участки расположения перекатов.

Впервые исследованием вопроса о размещении плесов и перекатов в пределах речной излучины занимался в 80-х годах XIX в. французский инженер-гидротехник Л.Ж.Фарг. На основании многолетних наблюдений, проведенных на Гаронне (реке с выправленным руслом и закрепленными берегами), а также лабораторных исследований он сформулировал ряд по­ ложений о том, как распределяются по длине излучин глубокие (плесовые) и мелководные (перекатные) участки, и установил их связь с кривизной излучин.

В современной отечественной литературе указанные положения обычно называются законами или правилами Фарга.

Рассмотрим эти законы.

1.Линия наибольших глубин вдоль по течению реки стремится при­ жаться к вогнутому берегу.

2.Самая глубокая часть плеса и самая мелкая часть переката сдвину­ ты по отношению к точкам перегиба кривой излучины вниз по течению приблизительно на одну четверть суммарной длины плеса и переката.

3.Чем больше кривизна вогнутого берега, тем больше глубина воды на плесе.

4.Плавному изменению кривизны реки в плане соответствует плавное изменение глубины воды в реке; любое резкое изменение кривизны приво­ дит к резкому изменению глубин.

5.По мере увеличения длины кривой излучины (при данной ее кри­ визне) глубина воды в реке сначала возрастает, а затем убывает, причем для каждого участка реки существует некоторое среднее значение длины кривой, при котором глубины становятся наибольшими.

6.При одинаковой длине кривых излучин средняя глубина воды на

данном участке реки тем больше, чем больше внешний угол, который об­ разуется двумя касательными, проведенными через конечные точки кри­ вой.

31

Гаронна является типичным примером рек с ограниченным меандрированием. Поэтому законы Фарга справедливы только для таких рек. Тем не менее этн законы впоследствии без всякого обоснования были распро­ странены на все типы меандрирования.

При ограниченном меандрирования русло реки на аэрофотоснимках и крупномасштабных картах изображается в виде синусоиды.

Ограниченное меандрирование русла характеризуют следующие па­ раметры (рис. 12 и 13):

Рис.13. Схема речной излучины при ограниченном меандрировании:

Аи В - точки перегиба средней линии меженного русла

1.Шаг излучины Лц, представляющий собой расстояние по прямой

между двумя смежными точками перегиба средней линии меженного рус­ ла.

2.Длина излучины s, которая представляет собой расстояние между верховой и низовой точками перегиба излучины, измеренное по средней линии меженного русла.

3.Ширина меженного русла вр .

4.Ширина пояса ограниченного меандрирования В, которая принима­ ется равной расстоянию между линиями, проведенными через вершины противоположно направленных излучин.

5.Средний радиус кривизны излучин на данном участке реки г.

32

6. Относительный шаг излучины —- .

в п

7. Степень развитости излучины — , представляющая собой отноше-

к

ние длины излучины к ее шагу. Степень развитости излучины характери-

В

зуется также параметром —	, то есть отношением ширины пояса ограни­
ченного меандрирования к ширине меженного русла.
8. Угол входа излучины	, который представляет собой угол, обра­

зованный касательной к средней линии меженного русла излучины в вер­ ховой точке перегиба и прямой, соединяющей смежные точки перегиба.

9.Угол выхода излучины а дых, который представляет собой угол, об­

разованный касательной к средней линии меженного русла излучины в ни­ зовой точке перегиба и прямой, соединяющей смежные точки перегиба.

Углы а т и а оых позволяют оценить степень асимметрии излучины.

10.Угол разворота излучины а , равный сумме углов а ет и а йых.

Углы а ю , а дых и а , так же как и параметры —		и — , характеризу-
	К	вр
ют степень развитости излучины.
11.	Средняя скорость сползания излучины Си. Для больших и средних

рек С„ =5-J5 м/год; иногда параметр С„ превышает 15 м/год [15].

В табл.4 [4] приведены значения средней скорости сползания излучи­ ны Сидля рек, на некоторых участках которых наблюдается ограниченное меандрирование. Эти скорости получены на основании совмещения пла­ нов русла по съемкам разных лет.

Параметры Ли, s, вр , В, г, а и , а оых и а определяются по аэрофото­

снимкам или крупномасштабным картам. Параметр Сиустанавливается по среднему смещению точек перегиба излучин за период времени между по­ следовательными съемками русла.

В качестве примера реки, на некоторых участках которой наблюдает­ ся ограниченное меандрирование, можно привести р.Иртыш. Этот тип руслового процесса встречается и на некоторых участках р.Оки. Участки с ограниченным меандрированием на этих реках располагаются в местах су­ жений долины.

33

Река

Волга

Волга

Дон

Ока

Северная

Двина

Таблица 4 Значения средней скорости сползания излучины С„

при ограниченном меандрировании________________

Участок	Скорость С„, м/год
Среднее течение (от впадения
р.Оки до устья р.Камы)	бг-12
Нижнее течение (у г.Ульяновска)	14
Среднее течение	5-8
Среднее течение	3-5
Нижнее течение	10-20

Вопросы для самопроверки

1.На каких участках рек развивается ограниченное меандрироваиие?

2.Какую форму в плане имеет русло реки при ограниченном меанд­ рировании?

3.Происходит ли обмен наносами между руслом и поймой при этом типе руслового процесса?

4.Наблюдаются ли при ограниченном меандрировании существенные изменения плановых очертаний и размеров излучин в процессе сползания их вниз по течению?

5.При каких условиях побочни, сползающие вниз по течению, пре­ вращаются в пойменные массивы?

6.Почему при ограниченном меандрировании извилистость потока имеет место не только в меженный период, но и во время паводка?

7.Какие деформации пойменных массивов наблюдаются с верховой стороны и с низовой? Что происходит с излучиной в результате этих де­ формаций?

8.Где располагаются максимальные глубины потока при ограничен­ ном меандрировании? От каких факторов зависят эти глубины?

9.Как деформируются плесы и перекаты в меженный период и во время паводка?

10.Что отражают законы Фарга? Как они формулируются?

11.Для какого типа руслового процесса справедливы законы Фарга?

12.Какой вид имеет русло реки на аэрофотоснимках и крупномас­ штабных картах при ограниченном меандрировании?

13.Какие параметры характеризуют ограниченное меандрироваиие

русла?

14.Что представляет собой шаг излучины?

15.Между какими точками определяется длина излучины?

16.Чему равна ширина пояса ограниченного меандрирования?

34

17.Какие показатели применяют для оценки степени развитости из­

лучины?

18.Что представляют собой угол входа излучины, угол выхода излу­ чины и угол разворота излучины?.

19.Какие численные значения имеет средняя скорость сползания из­ лучины?

20.Какие материалы используются для определения шага и длины из­ лучины, ширины меженного русла и пояса ограниченного меандрирования, среднего радиуса кривизны излучины, углов входа и выхода излучи­

ны?

21. Как устанавливается средняя скорость сползания излучин при на­ личии русловых съемок разных лет?

6. СВОБОДНОЕ МЕАНДРИРОВАНИЕ

Этот тип руслового процесса наблюдается на сравнительно неболь­ ших равнинных реках, имеющих широкие поймы (ширина поймы значи­ тельно превышает ширину пояса меаидрирования). На рис. 14 представлен план свободно меандрирующей реки.

Рис. 14. План свободно меандрирующей реки:

1 —излучины русла; 2 —старицы; 3 - береговые валы; 4 —ложбины; 5 - границы поймы

35

Характерная особенность свободного меандрирования, которая суще­ ственно отличает его от всех рассмотренных выше типов руслового про­ цесса, состоит в том, что здесь каждая излучина проходит определенный цикл развития.

В начальный период, когда излучины еще слабо выражены, они име­ ют в плане форму, близкую к синусоиде. При этом излучины сползают вниз по течению подобно тому, как это наблюдается на реках с ограни­ ченным меандрированием. Однако форма излучин постепенно изменяется, угол разворота а (рис.15) увеличивается, и когда он достигает значений, равных 120-150°, сползание излучин сменяется разворотом их вокруг то­ чек, близких к точкам перегиба средней линии меженного русла А, В, С и D (рис. 16). В результате этого излучины принимают округлые очертания и

Па ранних стадиях своего развития свободно меандрирующие излу­ чины, как и при ограниченном меандрировании, являются симметричны­ ми. Это наблюдается при углах а а и а вых (рис. 15), меньших 60°, то есть

при углах разворота а , меньших 120°. При углах разворота а , больших 120°, излучины принимают асимметричное очертание, то есть углы а ю и

адых заметно отличаются друг от-друга. При углах разворота а , больших

180°, излучины начинают сильно вытягиваться, принимая иногда пальце­ образные очертания.

Автором совместно с В.И.Чехуновым был выполнен гидрологомор­ фологический анализ руслового процесса р.Хопра на участке между го­ родами Аркадаком и Балашовой протяженностью 85 км. Река Хопер - ле­ вобережный приток р.Дона. Общая длина р.Хопра 1008 км, площадь водо­ сбора - 61100 км2. Долина реки покрыта лесными массивами. Берега сло­ жены из легко размываемых аллювиальных пород, преимущественно из песков, супесей, реже - суглинков, иногда встречается глина.

На участке между городами Аркадаком и Балашовой р.Хопер имеет очень широкую пойму, и русловой процесс происходит по типу свободно­ го меандрирования. Были подобраны и обработаны картографические и аэрофотосъемочные материалы по исследуемому участку реки за три года: 1948,1957 и 1964 (за 1948 и 1964 годы - картографические материалы, а за 1957 г. - аэрофотосъемочные) [8,9,11].

На всем протяжении исследуемого участка реки выделено и изучено 96 излучин, находящихся на разных стадиях своего развития. Нумерация излучин производилась по течению реки, то есть от г.Аркадака до г.Балашова [31].

На рис. 17 представлены совмещенные планы русла р.Хопра за 1948 и 1964 годы [8, 9,11]. Сплошными линиями показано положение русла реки в 1948 г., а пунктирными - в 1964 г. Эти планы охватывают очень неболь­ шой участок р.Хопра, включающий всего лишь 8 излучин. Как видно из рисЛ7, излучины в процессе своего развития разворачиваются вокруг то­ чек перегиба средней линии меженного русла А, В, С, D, Б и т.д.

Цикл развития каждой излучины связан с развитием смежных с ней верховой и низовой излучин (рис. 16). Вследствие разворота верховой и ни­ зовой излучин вокруг точек А, В, С и D происходит сближение их подмы­ ваемых вогнутых берегов. При этом создаются условия для прорыва узко­ го перешейка между ними.

Во время однрго из паводков, когда происходит спрямление потока, перешеек прорывается, и обе излучины (верховая и низовая) объединяются в одну пологую излучину. Во время меженного периода вода вначале пе­ ремещается и по новому руслу, и по средней излучине. Однако постепенно вход и выход из средней излучины, где имеются повороты водного потока и благодаря этому происходит интенсивная поперечная циркуляция, зано­ сятся грунтом.

Средняя излучина отделяется от нового русла и образует старицу, ко­ торая имеет в плане характерную серповидную форму (рис. 14). На спрям­ ленном участке русла начинается новый цикл образования излучин. Нали­ чие на пойме большого количества стариц серповидной формы является отличительной особенностью рек со свободным меандрированием.

37

Рис. 16. Схема свободно меандрирующего русла:

1 - положение средней линии меженного русла на различных стадиях развития излучин; 2 - глубокие участки плесов; А, В, С, D - точки перегиба средней линии меженного русла. Стрелки a, b, с, d, е,/указывают направ­ ление смещения излучин в процессе их развития

Форма и размеры излучин при рассматриваемом типе руслового про­ цесса очень сильно изменяются по длине реки. Это объясняется тем, что разные излучины находятся на различных стадиях развития.

Рис.17. Совмещенные планы русла р.Хопра за 1948 и 1964 годы: А, В, С, D, Е и т.д. - точки перегиба средней линии меженного русла

38

На рис. 18 в качестве иллюстрации приведены некоторые излучины р.Хопра на участке между городами Аркадаком и Балашовом. Первая из них (рис. 18,а) находится на ранней стадии развития, она имеет синусои­ дальную форму. Остальные две излучины (рис. 18, б и в ) находятся на поздних стадиях развития и имеют более сложное очертание.

При свободном меандрировании русло реки на аэрофотоснимках и крупномасштабных картах изображается в виде различно изогнутых пе­ тель неправильной формы (рис. 14).

Важная особенность свободного меандрирования состоит в том, что вследствие плановых переформирований русла происходит смещение не только отдельных излучин, но и всего пояса меандрирования. Благодаря этому положение реки по отношению к оси ее долины со временем изме­ няется, что хорошо видно из рис. 23, на котором представлены совмещен­ ные планы русла р.Сакмары (левобережного притока р.Урала) за 1860 и 1940 годы [2]. В том случае, когда пояс меандрирования, перемещаясь по пойме, прижимается к коренному неразмываемому борту долины, нор­ мальный цикл развития излучины нарушается и русло может осуществить поворот, не связанный с процессом меандрирования.

При свободном меандрировании максимальные глубины наблюдают­ ся у вогнутых берегов, а минимальные - на перекатах, которые соответст­ вуют точкам перегиба двух смежных излучин. Если при ограниченном ме-

39

андрировании в пределах каждой излучины располагается только один плес, то при свободном меандрировании в процессе развития излучины может произойти раздвоение плеса и даже образование нескольких разоб­ щенных плесов (при углах разворота а >120°). Благодаря неодинаковому развитию каждого плеса излучина принимает асимметричное очертание (рис. 16).

Во время паводка плесы размываются, а перекаты намываются. В меженный период наблюдается обратный процесс. Диапазон изменения отметок дна на плесах и перекатах в течение года на разных реках имеет различные значения. Как показали проведенные автором натурные иссле­ дования, на р.Хопре в районе г.Балашова этот диапазон на плесах доходит до 1,3 м, а на перекатах - до 0,4 м [30, 35]. На меандрирующих реках ука­ занный диапазон изменения отметок в многоводные годы достигает не­ скольких метров.

Рис. 19. Совмещенные планы русла р.Сакмары за I860 и 1940 годы:

1 - положение русла реки в 1860 г.; 2 -положение русла реки в 1940 г.; 3 - прорывы перешейков; 4 - старицы; 5 - границы поймы

Характерным морфологическим элементом излучины при свободном меандрировании является береговой вал, который сопровождает русло ре­ ки вдоль выпуклого берега излучины (рис. 14). Основу берегового вала со­

ставляет часть песчаной гряды, оставшейся на пойме после смещения рус40