Динамика речного потока

По характеру движения воды реку зрелого возраста можно разделить на 3 участка: верховье с быстрым движением воды, среднее течение, где скорость средней величины, и нижнее течение, где вода движется медленно.

Скорости движения воды в реке и колебания уровней в значи­тельной степени зависят от формы поперечного сечения русла, уклона его, очертания в плане, водной растительности.

Движение воды в реке носит турбулентный характер. У вогнутого берега массы воды перемещаются вниз, размывая берега, а у выпуклого берега - вверх, намывая его. Эту закономерность движения речного потока следует учитывать при выборе конструк­ции и места расположения мостового перехода (рис. 1.4.1.4).

Скорости движения воды в реках распределяются по живому сечению неравномерно - по вертикали они уменьшаются от повер­хности ко дну, а по горизонтали - от середины реки к берегам. Эти особен­ности необходимо учитывать при проектировании мостового перехода, так как от скоростей водного потока, их направ­ления и распределения по живому сечению зависит устой­чивость русла реки в месте мостового перехода, вид крепления русла, режимы движения наносов, шуголедовые явления и др.

Распределение скоростей в речном потоке имеет ряд особенностей. Для русла реки, близкого по форме к призматическому, при отсутствии пойм и в условиях ма­лых колебаний уровня движение можно считать равномер­ным. При этом возникает следующее распределение скоростей: максимум местных скоростей находится на наибольшем удалении от определяющей сопротивление движению шеро­ховатой поверхности дна русла и берегов - на поверхно­сти в середине реки; на любой вертикали скорости изменя­ются, падая ко дну. Закон распределения скоростей (рис. 2.1.2.2, а) - логарифмический или степенной, т.е. аналоги­чен распределению местных скоростей в канале или трубе при квадратичной зоне сопротивления.

Следует напомнить, что при таком наиболее изученном и характерном законе распределения скоростей по верти­кали устанавливается соответствующая связь между сред­ней и_в, максимальной поверхностной u_м и придонной ско­ростью и_л на уровне выступов шероховатости русла.

Рис. 1.4.1.4. распределение скоростей по живому сечению реки

При нарушении равномерного режима безнапорного движения в реке меняется и сам закон распределения ско­ростей, и в частности соотношение между средней и придон­ной скоростями.

Рис. 2.1.2.2. Распределение скоростей в живом сечении по вертикали:

а) в потоке со свободной поверхностью; б) в потоке подо льдом; в) на участках рек при впадении в крупные водоемы

Причиной отклонения от равномерного безнапорного течения в реке может быть, например, образование ледяного покрова. Из-за этого движение речного потока происходит в напорном режиме (рис. 2.1.2.2, б). Трение о поверхность льда создает дополнительное сопротивление, что приводит в целом к торможению потока. Меняется и распределение ско­ростей в живом сечении реки. Максимум скоростей по шири­не сохраняется в ее средней части, вдали от берегов, а по глубине несколько смещается ко дну.

Отклонения в рас­пределении скоростей по вертикали возникают и при нерав­номерном движении. В пределах кривых подпора скорости по вертикали несколько выравниваются, а на участках спада неравномерность скоростей возрастает, разность меж­ду значениями поверхностных и придонных скоростей уве­личивается. Однако в большинстве инженерных расчетов отмеченный эффект до последнего времени не учитывался.

Еще большее искажение распределения скоростей по вертикали возможно при сгонно-нагонных явлениях и стратификации потока - делении на слои разной плотности под влиянием градиента температур, концентрации солей и других причин изменения физических свойств жидкости. Перечисленные условия возникают на участках рек при впадении в крупные, в том числе засоленные, водоемы. Отмеченные отклонения в законе скоростей вплоть до раз­ной направленности потока по глубине (рис. 2.1.2.2, в) необ­ходимо учитывать, в частности, при оценке его размывающей способности.

Наиболее характерные особенности кинематики речного потока обусловлены поперечным профилем дна и плановыми очертаниями берегов. Влияние этих факторов является определяющим и для характера перемещения наносов, для руслового процесса, для компоновки и назначения генераль­ных размеров мостового перехода.

Большинство рек РФ имеет поймы. Пойменные участки отличаются более высоким гидравлическим сопротивлением, чем русло­вые. Причиной этого являются малые глубины на поймах. Очень сильное влияние на сопротивление оказывают расту­щие на поймах деревья и кустарники. Чем больше разница в сопротивлениях поймы и русла, тем значительнее перепад скоростей, тем более медленным оказывается пойменный поток по сравнению с русловым. Одним из важнейших след­ствий малых скоростей на поймах является то, что по ним, как правило, проходят только относительно мелкие, взвешенные наносы.Более крупные донные наносы большей частью перемещаются по руслу.

Перепад скоростей поймен­ного и руслового потоков становится причиной вторичного явления - кинематического эффекта. Раз­ница скоростей вызывает в соответствии с уравнением Бернулли неравенство уровней. Относительно малая кинети­ческая энергия потока на поймах по сравнению с руслом становится причиной повышения уровня (более высокой потенциальной энергии). Появление поперечного уклона свободной поверхности от поймы к руслу порождает соот­ветствующее течение, массообмен пойменных и руслового потоков. Повышаются турбулентные касательные напряже­ния на границе рассматриваемых потоков, являющихся ре­зультатом разницы их скоростей. В итоге происходит тор­можение речного потока в целом: падение скоростей в его русловой части не компенсируется некоторым их увеличе­нием в пойменном потоке у бровки русла. Практически это приводит к общему росту уровня для обеспечения пропуска расхода реки.

Важнейшая особенность кинематики речного потока - поперечная циркуляция, которая вызыва­ется его искривлениями в плане (меандрированием), наибо­лее характерными для равнинных рек. Возникающие на повороте реки инерциальные силы пропорциональны квад­рату продольной местной скорости течения и обратно про­порциональны радиусу закругления. В соответствии с рас­смотренным выше распределением по глубине скоростей в речном потоке инерциальные силы в поверхностных струях оказываются выше, чем в донных. Поверхностные струи с относительно высокими скоростями начинают отклоняться в сторону вогнутого берега, что, в частности, вызывает его разрушение. Образуется поперечный уклон свободной по­верхности с повышением уровня у вогнутого берега. На­бегающие на вогнутый берег поверхностные струиотражаются от него и, переходя в донные, направ­ляются к выпуклому берегу под действием соответствующего пере­пада уровней. В поперечном сечении круг замыкается, а речной поток в целом совершает винтовое движение.

Перечисленные примеры показывают, насколько важно инженеру иметь максимум сведений о расходах, уровнях и других характеристиках потоков в периоды их паводков и половодий, о динамике их изменений как за короткий пери­од времени, так и за много лет.

Представление о распределении скоростей в живом сечении дают линии равных скоростей - изотахи, которые вычерчиваются по данным измерений скоростей в отдельных точках. Линию, соединяющую наибольшие скорости на поверхности реки, называют стрежнем. На прямых плесах стрежень проходит по середине реки и подчиняется симметрии стрелы, а на излучинах он прижимается к вогнутому берегу, и течение резко диссимметрично. Симметрии или дисимметрии водного потока соответствует и форма русла: стрежень и фарватер совпадают.

Измерение скоростей течения воды необходимо для нужд судоходства и лесосплава, строительства мостов и гидротехнических сооружений, для решения множества других научных и практических задач, в том числе и для определения расходов воды.