Снижение уровней воды в нижнем бьефе.

⇐ ПредыдущаяСтр 20 из 41Следующая ⇒

Вследствие эрозии происходит уменьшение уклона свободной поверхности воды в нижнем бьефе гидроузла. Врезание может не наблюдаться на реках, дно которых сложено очень крупным материалом, формирующим отмостку, или скальными грунтами. Интенсивность снижения уровней воды в нижних бьефах заметно меняется на разных стадиях трансформации русла. Одновременно с врезанием часто происходит интенсификация размыва берегов. На развитие врезания влияют три главных фактора: 1) гидравлические характеристики потока, включая скорость течения, уклон и глубину русла во всем диапазоне расходов; 2) крупность и противоэрозионная устойчивость материала, слагающего дно и берега; 3) наличие источников поступления наносов ниже по течению.

Эрозионная трансформация продольного профиля реки развивается последовательно в глубину, распространяется вниз по течению, а также замедляется по длине реки и во времени. Предполагается, что процесс общего размыва затухает со временем, что должно привести к стабилизации продольного профиля (четвертая стадия трансформации русла). На равнинных реках такое состояние может наступить через 80-100 лет после создания водохранилища.

На особенности трансформации русла влияют морфологические особенности речной долины, выходы коренных пород в русле и на берегах, распространение валунов и гальки, характер прибрежной растительности. Строение и состав руслового аллювия определяет тип стабилизации русла: путем формирования отмостки или уменьшения продольного уклона. Механические нарушения русла, например, в ходе разработки русловых карьеров, могут существенно нарушать ход трансформации русла, делая его непредсказуемым. Усиление антропогенных нарушений речных русел в 1970-1980-е годы во многих случаях привело к неадекватности прогнозов, разработанных при проектировании плотин в 1940-50-е годы.

З. Бабиньски [Babiński, 2000] подсчитал, что величина врезания ниже плотин, сооруженных на реках Северного полушария в последние 50-60 лет, составила от 0.6 до 5.6 м. Максимальная величина врезания достигала 7.5 м [Williams and Wolman, 1984]. Чаще всего величина врезания в нижнем бьефе плотин в Мире составляет 2-4 м. Дальность распространения эрозии также сильно колеблется – от нескольких километров до сотен километров. За период функционирования плотин от 1.5 до 54 лет скорость смещения фронта эрозии варьирует от 0.4 до 36 км в год. В большинстве случаев средняя годовая скорость составляет 1-3 км в год [Babiński, 2000].

За первые три-четыре года после постройки плотины Новосибирского гидроузла на р. Оби среднее понижение отметок дна на 25-километровом приплотинном участке составляло около 0.8 м. За последующие 40 лет дно понизилось еще в среднем на 0.6 м. Наибольшее понижение отметки дна отмечено в 2 км от плотины, где оно в настоящее время составляет 2.8 м (рис. 3.9). Скорость врезания сократилась с 10-12 до 4 см в год. Эрозия при этом продвинулась за пределы 25-километрового участка. Скорость продвижения фронта эрозии составляла 1.5-4.0 км в год.

В некоторых случаях скорость понижения дна и меженных уровней воды не меняется в течение длительного времени. Так, скорость понижения дна в нижнем бьефе Волгоградского и Нижегородского гидроузлов в течение 40 лет составляет около 4 см/год [Шестова, 2006]. Средняя скорость понижения дна в нижнем бьефе Воткинской плотины с начала 1960-х гг. до настоящего времени составляет 2.5 см в год.

Рис. 3.9. Изменение средней глубины от проектного уровня

по длине приплотинного участка р. Оби

Наибольшая начальная скорость понижения дна характерна для рек с мелкопесчаным и илистым аллювием, а на реках с песчаным и гравийно-галечным аллювием начальная скорость понижения дна обычно вдвое меньше. Однако через 20-30 лет скорости понижения дна рек в разных литологических условиях сближаются.

Постепенное замедление темпа эрозии отражает изменение уровня воды при одном и том же расходе. В нижнем бьефе Новосибирской ГЭС они подчиняется зависимости [Simon, 1992], представленной на рис. 3.10:

Рис. 3.10. Ход уровня р. Оби при расходе 1200 м³/с ниже Новосибирской ГЭС за время ее существования

где: H_о – начальная отметка уровня;

H – отметка уровня через промежуток времени t.

Понижение уровней воды, сопровождающее глубинную эрозию и трансформацию русла, зависит от удельного расхода воды и степени подвижности русла [Транспортное использование…, 1972]. На основе данных по некоторым рекам России получена зависимость:

где: Q – среднемноголетний расход воды, м³/с;

I – среднее падение, см/км;

B – ширина русла, м;

d – средний диаметр наносов, мм (рис. 3.11).

Рис. 3.11. График зависимости посадки уровня в нижнем бьефе

от гидравлических характеристик потока и устойчивости русла

Глубинная эрозия и связанное с ней понижение уровней воды приводит к трансформации продольного профиля водной поверхности при меженных расходах воды. На реке Оби ниже Новосибирского гидроузла она за 50 лет охватила участок длиной не менее 80 км. Меженный уклон при этом уменьшился с 0.087 до 0.07‰. Эрозионная трансформация русла сопровождалась неявно выраженными волнами аккумуляции, идущими перед фронтом эрозии.

Эти волны выявлялись по морфологическим признакам – увеличению количества осередков и небольших островов – в течение первых 10-12 лет существования плотины на участке длиной 40-50 км ниже нее. Возможно, это было связано с этапом пониженной водности реки и, как следствие, небольшими весенними расходами воды. К 2004 г участок аккумуляции обнаружен в 50-70 км от плотины, где средняя скорость отложения наносов в русле и у берегов составляет 5.3 тыс. м³ в год на 1 км длины русла. Приплотинный участок длиной 40 км подвержен продолжающейся эрозии, как дна, так и берегов (5.2 тыс. м³/км), что почти в 30 раз меньше, чем в первые годы эксплуатации плотины. Другой участок преобладания эрозии с темпом до 13 тыс. м³ в год на 1 км обнаружен в 70-90 км от плотины.

Аналогичные закономерности прослеживаются на нижнем Дону. После создания в 1951 году Цимлянского водохранилища в нижнем бьефе плотины развивалась глубинная эрозия [Серебряков, 1970]. Она привела к понижению уровней воды в широком диапазоне расходов воды еще в первое десятилетие. Скорость врезания русла на приплотинном участке Нижнего Дона составляла 8-10 см/год. При этом скорость продвижения фронта эрозии вниз по течению составляла не менее 10-12 км/год. Для предотвращения снижения уровней воды на нижнем Дону в дополнение к существовавшей с 1920 г Кочетовской плотине (134 км от Цимлянского гидроузла) в 1975 и 1982 гг., соответственно, были сооружены Николаевский (63 км от плотины) и Константиновский (115 км) низконапорные гидроузлы. Однако это не предотвратило врезания, которое наблюдается в настоящее время ниже Кочетовской плотины, на свободном участке реки. Скорость врезания русла составила 2 см/год, а величина посадки уровней в створе Раздорского гидропоста при расходе воды 600 м³/с за 1954-2000 гг. составляет
80-85 см (рис. 3.12).

Рис. 3.12. График хода уровней воды р. Дона в 160 км от плотины Цимлянского гидроузла при расходе 600 м³/с (по В.В. Тимофеевой [2007])

Скорость продвижения фронта эрозии вниз по течению зависит от крупности аллювиального материала. Наибольшие темпы характерны для рек с мелкопесчаным и песчаным, наименьшие – для рек с галечным аллювием. Следует отметить, что на этом фоне иногда происходит временное ускорение эрозионных процессов. Неравномерный характер распространения эрозии, обусловленный большими периодическими холостыми сбросами в многоводные годы, выявили в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС [А.Б. Векслер и др., 1980].

Регулирование стока и сокращение расхода наносов оказывают дестабилизирующее влияние на поперечное сечение и плановую форму русла в нижних бьефах. Эксперименты показали [Маккавеев и др., 1961], что в условиях свободного развития русловых деформаций врезание, обусловленное прекращением или сокращением стока наносов, сопровождается интенсивными горизонтальными переформированиями. После прекращения врезания горизонтальные деформации продолжаются, хотя при этом их интенсивность постепенно снижается. Считается, что расширение русла является одной из стадий трансформации русла, наступающей вслед за этапом глубинной эрозии и укрупнением донных наносов [Babiński, 2000].

Направленность изменения ширины русла ниже плотин гидроузлов разная. Часть рек в нижних бьефах расширяют свои русла, другая часть – сужает. На исследованных участках нижних бьефов гидроузлов на американских реках за время эксплуатации расширение русел отмечено в 46% нижних бьефов, а в 26% русло сузилось. Сужение русла в некоторых случаях бывает искусственным. Так, русло Вислы ниже плотины во Влоцлавеке стеснено с обоих берегов полузапрудами, построенными еще в конце XIX века. В нижнем бьефе Нижегородской ГЭС также не произошло расширения русла, что связано с интенсивными землечерпательными работами по трассе судового хода, в процессе которых отвалы грунта крупного состава укладывались вдоль берегов.

Заметно сужается русло в том случае, если водность реки в нижнем бьефе сильно сокращается. Многие водохранилища срезают пик паводка, степень срезки зависит от размера и режима водохранилища. При значительной срезке паводка, понижении его уровня и уменьшении мощности прирусловые отмели активно зарастают ивняком и травами [Транспортное использование…, 1972; Williams and Wolman, 1984]. Изменение уровенного режима Иртыша после создания Бухтарминского водохранилища привело к широкому распространению кустарниковой растительности на отмелях, причем граница растительности опустилась на 1.5 м [Дегтярев, 1968].

Увеличение ширины русла наблюдалось в 1985-2004 годах на участке Оби в 15-20 км от плотины Новосибирского гидроузла. Объем материала, поступившего от размыва берегов, превысил объем отложения на 40%. Увеличение ширины русла Волги выявлено также на приплотинном участке Волгоградской ГЭС длиной около 10 км [Иванов, Коротаев, 2008], где оно обусловлено размывом островов и прирусловых отмелей. Ширина Волги вблизи плотины Рыбинского гидроузла за 50 лет увеличилась на 30%. Расширению русла может способствовать: неустановившееся движение потока, при котором расход воды и скорость течения меняются в несколько раз; высокий уровень ледостава, частые подъемы уровня и ледоход, которые уничтожают растительность и нарушают берега механически.

Увеличение боковой эрозии непосредственно ниже сооружений может происходить в результате изменения направления потока и перераспределения расходов воды на отдельных участках русла реки в нижнем бьефе. Эрозия берегов бывает также связана с волнами от проходящих судов или другого происхождения, например, с волнами, обусловленными работой водосливов.

Выделяется несколько факторов, определяющих устойчивость речных берегов к размыву: характеристики берега – высота, уклон, связность материала; гидравлические характеристики потока; расход наносов; плановая форма русла; характеристика прибрежной растительности. В случае достаточно низкой устойчивости берегов к размыву дефицит донных наносов достаточно быстро восполняется эрозией берегов. Так, например, на первых 28 км нижнего бьефа Воткинской плотины на р. Каме размыв берегов ежегодно поставляет в поток более 600 тыс. м³ руслообразующих наносов (крупнее 0.1 мм).

При определенных режимах работы гидроузлов возникают длинноволновые возмущения с разным периодом и микросейсмические колебания грунтов, слагающих берега, которые связаны с попусками и сбросом воды во время пропуска половодья [Котляков и др., 2007; Дебольский и др., 2005]. Эти возмущения способствуют интенсификации размыва берегов.

Для нижних бьефов характерны периодические изменения физических свойств грунтов, слагающих берега. Колебания уровней воды приводят к ежедневному увлажнению и осушению грунта, слагающего береговой склон, что снижает прочностные характеристики грунта, уменьшают предельную высоту и угол откоса; врезание увеличивает высоту берега. Нередко происходит интенсивная суффозия грунта береговых откосов фильтрационным потоком, направленным в русло в периоды резкого спада уровней воды в реке.

Сезонное регулирование стока способствует тому, что полнота русла, т.е. ширина русла у дна увеличивается [Транспортное использование…, 1972], что также снижает устойчивость основания берегового откоса. Так как продолжительность расходов высокой межени увеличивается по сравнению с естественными условиями, то эрозия в нижней части берегового склона усиливается, она ведет к удалению грунта от основания подводного склона и затем к обрушению берега.

Наиболее интенсивно разрушение берегов происходит в течение первых 5-10 лет после создания гидроузла. Интенсивность горизонтальных деформаций снижается как во времени (на приплотинном участке), так и по длине нижнего бьефа. Размывы берегов Оби ниже Новосибирской ГЭС в первые годы (1959-1975) усилились вдвое по сравнению с естественным режимом, но позднее скорость размыва снизилась до обычных для Оби значений 5-6 м/год. То же отмечалось в нижнем бьефе Цимлянского гидроузла [Серебряков 1970, Тимофеева, 2007], ниже Волгоградской плотины [Бобров, 1981]. Ускорение горизонтальных деформаций в начале эксплуатации плотин обусловлено перестройкой скоростного поля потока, возникновением новых струй потока ниже водосбросной плотины и ГЭС, увеличением удельных расходов воды в связи с ограниченной шириной водосбросного фронта плотины.

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 429; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 15 16 17 18 192021 22 23 24 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!