Русловые процессы на участках добычи НСМ.
Верховая кромка руслового карьера служит исходным перегибом продольного профиля дна, над которым формируется большой уклон свободной поверхности. Увеличение уклона нарушает устойчивость русла, подобно тому, как это происходит при понижении базиса эрозии, контролирующего положение уровня водной поверхности и отметки дна. Понижение базиса эрозии часто происходит при спрямлении излучин, выправлении русла и пр. Образование глубокой выемки на дне, изменяющей нормальный профиль дна, также можно рассматривать как понижение базиса эрозии для вышерасположенного участка реки (рис. 3.27).
Рис. 3.27. Продольный профиль дна в русловом карьере (р. Ока)
Увеличение уклона выше карьера приводит к возрастанию расхода наносов на этом участке и интенсификации размыва дна речного потока. Так называемая регрессивная эрозия может распространяться на километры вверх по реке. Скорость миграции врезания зависит от состава материала дна (его эрозионной стойкости) и гидрологического режима реки. Отмечены случаи распространения перегиба профиля дна на 200-700 м за один паводок. Также наблюдалось врезание на 3-6 м за 15-20 лет на участке реки длиной 11 км [Kondolf, 1997]. На равнинных реках величина врезания во время разработки руслового карьера составляет несколько десятков метров в год (рис. 3.28).
Рис. 3.28. Зависимость величины понижения отметки дна от расстояния до вершины карьера (реки Ока и Белая, 1980-1995 гг.)
|
|
|
Регрессивная эрозия имеет наибольший темп в период разработки и на начальной стадии занесения карьера, хотя продолжается и позднее. Когда дно реки понижается в результате добычи, местные уровни воды понижаются, что приводит к возникновению кривой спада и соответствующему увеличению транспортирующей способности выше по течению. Резкое увеличение уклона выше карьеров на р. Соби наблюдали Г.Л. Гладков и др., [1988]. Выше карьера длиной, равной шестикратной ширине русла, на р. Днестре у Григориополя наблюдалось трехкратное увеличение уклона. Мощный размыв, достигший 3 метров, распространялся на 3 км выше карьера на р. Днестре [Борик, 1987].
Размыв продолжается, очевидно, до тех пор, пока скорость течения не достигнет значения неразмывающей скорости, а русло – соответствующей глубины. Глубина, соответствующая неразмывающей скорости, вычисляется по какой-либо из общепринятых формул.
По методике ГГИ [ Рекомендации…, 1988] средняя глубина в условиях стабилизации русла после размыва определяется:
где: B – ширина русла;
g – ускорение силы тяжести;
|
|
|
n – коэффициент шероховатости;
M – параметр К.В. Гришанина, меняющийся в зависимости от типа русла и крупности руслообразующего аллювия от 0.4 до 1.2.
Русловая выемка на дне реки перехватывает большую часть наносов, тем самым прерывая их транзит на данном участке реки. Если добыча достаточно интенсивная и длительная, ниже руслового карьера образуется дефицит наносов. Для восстановления расхода наносов поток размывает дно и берега. Трансгрессивное врезание распространяется вниз по течению реки. Интенсивное врезание ниже карьера иногда столь быстро восполняет расход русловых наносов, что он начинает превышать транспортирующую способность потока. Это приводит к временной аккумуляции наносов на некотором удалении от участка добычи (рис. 3.29).
Рис. 3.29. Изменение отметок водной поверхности (1) и дна (2)
реки Белой на участке массовой добычи НСМ ниже г. Уфы за
1979-1995 гг.
Скорость распространения трансгрессивной эрозии зависит от гранулометрического состава наносов. В руслах рек с гравийно-галечными наносами эффект вниз по течению от руслового карьера может быть кратковременным. Когда добыча заканчивается, баланс между поступлением наносов и их транспортом может установиться относительно быстро. В руслах рек, аллювий которых содержит относительно мало гравия, эрозия может развиваться быстро и продолжаться в течение многих лет по окончании добычи. Так, например, существенное сокращение объемов добычи на верхней Оке в 1991-2011 гг. не привело к прекращению направленных деформаций русла, которые выразились в продолжающемся понижении отметки дна и минимальных уровней воды (рис. 3.30).
|
|
|
Рис. 3.30. Изменение отметок дна реки Оки на Троицком перекате
в результате разработки карьеров и глубинной эрозии
Врезание часто распространяется на большие расстояния по длине реки.
На участках с массовыми русловыми карьерами, которые имеют большие линейные размеры и объемы и разделены лишь небольшими перемычками естественного русла, зоны регрессивной и трансгрессивной эрозии соседних карьеров перекрываются, что приводит к понижению дна рек на большом протяжении. Эрозия развивается весь период занесения карьера, пока не будет восстановлен исходный сток наносов. Процесс этот протекает достаточно сложно, так как по мере увеличения расхода наносов ниже карьера меняется уклон, и на определенном этапе эрозия может смениться аккумуляцией наносов.
|
|
|
Длину участка эрозии ниже карьера можно вычислять исходя из объема удаленного из карьера материала [Рекомендации…, 1988] по формуле:
,
где: l1, l2 – длина карьера по дну и по верху;
he, h0 – глубина в начале и конце зоны размыва.
Глубина размыва может вычисляться исходя из неразмывающей скорости потока, как без учета самоотмостки, так и при условии ее образования [Рекомендации…, 1988].
Отмостка часто встречается в русле р. Енисея, ниже Красноярской ГЭС. Аллювий, залегающий под слоем отмостки, диаметр частиц которой превышает 60 мм, отличается втрое меньшей крупностью. Когда отмостка разрушается, обнажившиеся более мелкие наносы легче транспортируются и расход наносов возрастает. Уменьшение среднего размера донного материала в результате разработки русловых карьеров обнаружено на многих реках в разных странах [Brown at al., 1998].
Однако преимущественно наблюдается общее укрупнение наносов на больших участках рек; оно связано с развитием эрозии. Так, средняя крупность наносов р. Белой ниже Уфы с 1940-х гг. увеличилась с 0.3-0.5 мм до 5.8 мм [Маккавеев, 1955]. Максимальная крупность достигает 34 мм. При этом зависимость крупности наносов от глубины русла отсутствует. В отработанных карьерах можно обнаружить как наиболее крупные, так и мелкие частицы. На перекатах крупность наносов повсеместно увеличилась. Современная крупность русловых наносов р. Томи в районе Томска и ниже по течению (69-45 км от устья), на котором в течение десятилетий разрабатывались крупные русловые карьеры, достигает 20 мм. Высокая крупность наносов наблюдается также и ниже по течению – до устья реки (3-6 мм). Также весьма существенно увеличилась крупность донных наносов р. Оки, что является следствием врезания.
Особенно яркий пример трансформации профиля свободной поверхности вследствие развития эрозионных процессов выше карьеров НСМ представляет собой участок р. Томи в 70-73 км от устья (рис. 3.31).
Рис. 3.31. Продольный профиль водной поверхности р. Томи
Интенсивная глубинная эрозия, развивавшаяся в течение нескольких десятилетий вследствие разработки томских карьеров, обнажила выступ скальных пород коренного основания аллювия, в результате чего образовался порог, ограничивающий судоходство, однако не препятствующий распространению врезания.
На перекатных участках верхней Оки, отличающихся крупным составом донных отложений, также формируются ступени продольного профиля с большими уклонами водной поверхности, в два-три раза превышающими средний уклон реки (рис. 3.32).
Рис. 3.32. Трансформация продольного профиля реки Оки
между Калугой и Коломной
Таким образом, влияние крупных, гравийно-галечных фракций в составе речного аллювия в реках на развитие эрозионных процессов в зоне влияния карьерных разработок на равнинных реках исключительно велико. Благодаря сортировке состава донных отложений в русле реки формируется отмостка, которая способствует стабилизации русла, его берегов и отмелей. Разрушение отмостки в процессе разработки карьеров может приводить к нарушению устойчивости русловых образований, усилению блуждания потока, отторжению побочней, формированию разветвлений и др. [Lagasse at al., 1980].
Это, в свою очередь может стать причиной усиления размыва берегов. Врезание увеличивает высоту берегов, что приводит к нарушению устойчивости грунта на откосе, особенно при переменном увлажнении. Разработка прибрежных карьеров, в ходе которой срезаются части побочней, приводит к расширению русла, перераспределению скоростей течения по ширине русла и изменению режима плесов и перекатов. Расширение вызывает обмеление русла, т.к. плесы заполняются наносами.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 583; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!