Справочное пособие к СНиП

Серия основана в 1989 году

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ ЗАБОРА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД

 

Москва Стройиздат 1990

Разработано к СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения». Рассмотрены общие вопросы использования поверхностных вод для водоснабжения. Изложены основные положения по оценке местных условий забора воды, выбора места расположения, типа, конструктивной схемы водоприемника и элементов водозаборных сооружений.

Для проектировщиков, изыскателей и эксплуатационного персонала, работающих в области водоснабжения.

Введение

Надежность забора воды заданного расхода и качества, как свидетельствует опыт эксплуатации водозаборных сооружений, зависит в первую очередь от местных природных условий избранного участка водотока или водоема, а также от возможности их последующего нарушения. Местные условия на прилегающих участках избранного водотока или водоема обычно индивидуальны. Они формируются совокупностью сложных взаимно обусловленных топографических, геологических, метеорологических, гидрологических, гидроморфологических, гидротермических, гидробиологических и других факторов и процессов. В первых трех разделах Пособия излагаются основные положения по использованию поверхностных источников, методика расчета местных условий забора воды и другие сведения, необходимые в качестве исходного материала для проектирования.

В недалеком прошлом считали, что условия забора воды из водоемов более благоприятны, чем из водотоков (рек). Водозаборные сооружения на водоемах проектировались и строились обычно по аналогии с речными. В расчетах проектов дополнительно учитывались только элементы волн, ожидаемая переработка берега и прибрежного склона, колебания уровня воды и величины придонных орбитальных скоростей. Исходя из условий волнового воздействия водозаборные сооружения размещали преимущественно на укрытых от интенсивного волнения акваториях - в бухтах, заливах, за выступающими в водоем берегами и т. п. Такой подход является причиной захвата в водоприемные устройства воды с чрезмерно повышенным содержанием наносов, водорослей, мусора, шугольда, их завала продуктами переработки берегов и прибрежных склонов и периодических прекращений ее забора, что приводит к переустройству и даже к повторному строительству водозаборных сооружений.

Обобщение опыта эксплуатации водозаборных сооружений на водоемах с одновременной постановкой поисковых лабораторных исследований показало, что условия забора воды из водотоков и водоемов принципиально различны. В отличие от водотоков в прибрежной зоне водоемов одновременно с волнением появляются сосредоточенные вдольбереговые, инерционные, градиентные, плотностные и другие разновидности течений. Вследствие взаимодействия с сопутствующими факторами и процессами эти течения обычно транспортируют массы воды с чрезмерно повышенным содержанием наносов, водорослей, мусора, а в предледоставные периоды еще и переохлажденные, что и явилось причиной упомянутых последствий.

Факторы и процессы, определяющие условия забора воды в прибрежных зонах водоемов, изложены в разд. 3 Пособия.

Водоприемное устройство (водоприемник) является одним из основных и наиболее ответственных элементов водозаборного сооружения. Выбор места расположения, типа и конструктивной схемы водоприемника в каждом конкретном случае должен определяться в первую очередь местными условиями источника. Для решения этих вопросов в разд. 4. Пособия приведены несколько наиболее перспективных схем водоприемников с методиками их расчета, классификация, категории надежности забора воды и требования, предъявляемые к водозаборным сооружениям.

Рекомендации по выбору места расположения, типов, конструктивных схем и методик расчета водозаборных сооружений на реках изложены в разд. 5 Пособия.

В разд. 6 изложены принципиально новые положения по выбору места расположения, типа и компоновки элементов водозаборного сооружения. В их основу положен принцип изыскания мероприятий по исключению проникания сосредоточенных течений прибойной зоны к месту размещения водоприемников и нарушения бытового режима прибрежной зоны водоема в районе водозаборного сооружения на период его эксплуатации. Такой подход позволил резко сократить стоимость строительных работ, повысить надежность забора воды и улучшить ее качество.

Вопросам организации забора воды водозаборными сооружениями из водотока с недостаточным стоком посвящен разд. 7.

В разд. 8 изложен комплекс мероприятий, связанных с организацией рыбозащиты и очистки забираемой в водозаборное сооружение воды от мусора.

В Пособии отражен современный научно-технический уровень использования поверхностных вод для целей водоснабжения. В нем учтены разработанные в последние годы методы оценки природных условий поверхностных источников, наиболее прогрессивных конструктивных схем водоприемников, наносозащитных и рыбозащитных устройств, выбора места расположения, типа и компоновки конструктивных элементов водозаборных сооружений, а также учтен опыт их проектирования и эксплуатации на водотоках и водоемах.

Водозаборные сооружения (водозабор) - комплекс гидротехнических сооружений, обеспечивающих забор воды из источника, ее предварительную очистку и подачу водопотребителям с требуемыми расходом и напором.

Водоприемник (водоприемное устройство) - сооружение, с помощью которого осуществляются забор воды из водотока или водоема и ее предварительная очистка от мусора, рыбы и т. п.

Забор воды - процесс отбора воды из источника водоснабжения.

Глубинный водоотбор - процесс отбора воды из нижних слоев источника водоснабжения.

Источник водоснабжения - водоток или водоем, используемый для водоснабжения.

Место водоотбора - участок источника водоснабжения, в пределах которого забираемая водоприемником вода оказывает влияние на перемещение наносов, мусора, шугольда, планктона, а также на направление течений, возбуждаемых другими факторами.

Местные условия источника водоснабжения - совокупность топографических, геологических, метеорологических, гидрологических, гидроморфологических, гидротермических, гидробиологических и других факторов избранного или заданного участка источника. Поскольку упомянутые факторы взаимосвязаны, то местные условия обычно индивидуальны для каждого избранного участка источника водоснабжения.

Плотностная стратификация - изменение плотности воды по глубине водотока или водоема. Она может возникнуть за счет перепада температур или солености воды между поверхностным и придонным слоями, а также за счет поступления масс воды с повышенным содержанием наносов.

Двухслойная температурная стратификация - расслоение воды на два слоя с разностью температур между ними.

Селективный водоотбор - послойный забор воды из источника за счет разности ее плотности в придонном и поверхностном слоях.

Критическое положение поверхности раздела - предельное положение поверхности раздела, при котором в водоприемник не забирается вода из верхнего слоя.

Большой (крупный) водоем - водоем, в котором высота волн в пределах прибрежной зоны h ³ 0,75 м. При меньших высотах волн в прибрежных зонах обычно развивается водная растительность, отсутствуют вдольбереговые течения, миграция наносов и др.

Глубоководный водоем (глубоководная зона) - участок водоема, в пределах которого глубина воды H ³ 0,5 l_гл.

Средний гидродинамический уровень воды - условная линия, проведенная таким образом, что суммарные площади, отсекаемые профилем волны выше и ниже этой линии, равны между собой. При волнении эта линия вследствие появления ветроволнового или волнового нагона смещается в сторону наветренного берега.

Ветроволновое течение - смещение масс воды от действия ветра и волнения.

Компенсационное течение - отток придонных слоев воды, обусловленный перекосом уровня воды, вызванного ветроволновым, дрейфовым или другими разновидностями течений.

Дрейфовое течение - частный случай ветроволнового течения при резком ослаблении или полном исчезновении ветра.

Волновое течение - смещение масс воды вследствие асимметрии орбитального движения частиц жидкости при волнении.

Транзитное течение - смещение масс воды по всей длине водоема, связанное с их втеканием и одновременным вытеканием из него.

Сточное течение - течение, вызванное втеканием или вытеканием масс воды из водоема, а также их оттоком от наветренного берега с прекращением волнения.

Плотностное течение - послойное смещение масс воды, вызванное наличием разности ее плотности по глубине или градиента давления, обусловленного температурой, соленостью или мутностью.

Вдольбереговое течение - смещение масс воды вдоль берега, вызванное и поддерживаемое энергией разрушающихся косоподходящих к берегу волн или масс воды, сбрасываемых в прибойную зону.

Разрывное течение - периодическое смещение масс воды по всей глубине прибрежной зоны водоема, вызванное неравномерностью ветроволнового нагона, течений и волнения.

Градиентное течение - смещение масс воды за счет градиента давления или перепада ее уровня, возникающего от действия косоподходящих волн и сосредоточенных течений.

Инерционное течение - любая из разновидностей течений, вышедшая за пределы зоны действия возбуждающих факторов и продолжающая дальнейшее движение только за счет сил инерции.

Прибойная зона - прибрежная полоса водоема, в пределах которой происходит разрушение волн.

Пособие разработано ВНИИ ВОДГЕО - доктор технических наук, проф. А. С. Образовский (разд. 5), А. Н. Ляпин (разд. 2), кандидаты технических наук А. А. Смирнов - руководитель темы (разд. 1, 2, 3, 4, 6), А. М. Мотинов (разд. 4, 5, 8), А. П. Нетюхайло (разд. 3, 6), А. В Шахов (разд. 7), А. И. Мадзалевский (разд. 1, 5), и. А. Серов (разд. 4), Д. И. Алтунин (разд. 3), Т. В. Колесникова (разд. 5, 8); канд. биолог, наук А. М. Пахоруков (разд. 8), инженеры В. Г. Жилин (разд. 7), Т. С. Карпенко (разд. 1, 5), А. Н. Стрижкин (разд. 4) при участии Союзводоканалпроекта - инженеры М. А. Лозовский, Т. В. Маслова, В. В. Титков.

1. Общие вопросы использования поверхностных вод для водоснабжения

Общие положения

1.1. В Пособии отражены следующие вопросы:

оценка местных условий отбора воды в районе намечаемого размещения водозаборных сооружений;

выбор места расположения, типа и компоновки конструктивных элементов водозабора в соответствии с местными условиями водотока или водоема;

изыскание мероприятий, позволяющих исключить или до минимума свести нарушение бытового режима водотока или водоема в процессе строительства и эксплуатации водозабора;

расчет основных факторов, определяющих местные условия водотока или водоема, конструктивных элементов водоприемников и водозаборов, селективного водоотбора в стратифицированном потоке и др.;

изыскание мероприятий по ослаблению заносимости водоприемников, захвата в них воды с повышенным содержанием водной растительности, планктона, шугольда и др., появившихся в процессе эксплуатации водозабора.

1.2. Рассмотрены вопросы строительства и эксплуатации водозаборных сооружений промышленного, хозяйственно-питьевого, теплоэнергетического и сельскохозяйственного назначения на водотоках и водоемах.

1.3. Опыт эксплуатации и лабораторных исследований водозаборных сооружений свидетельствует, что имеющие место затруднения в их работе связаны с завалом водоприемных устройств наносами, захватом в них воды с повышенным содержанием водной растительности, мусора и планктона, местным нарушением стратификации воды и др. В Пособии большое место отведено вопросам, связанным с оценкой местных условий забора воды на избранном участке источника и возможных последствий при их нарушении, так как затруднения в работе водозаборных сооружений обусловлены преимущественно недооценкой в проектах местных условий источника или последующим нарушением в процессе строительства и эксплуатации.

1.4. К поверхностным водам относятся воды водотоков (рек, каналов, ручьев) и водоемов (морей, озер, водохранилищ, прудов).

1.5. Поверхностные воды используются в народном хозяйстве для хозяйственно-питьевого, производственного и теплоэнергетического водоснабжения, орошения, обводнения и гидроэнергетических целей, а также удовлетворения других государственных и общественных надобностей.

1.6. Основы водного законодательства устанавливают общий порядок водопользования, охрану вод, государственный учет и планирование их использования.

Для проектных организаций обязательными являются требования СНиП 2.04.02-84 и других нормативных документов в зависимости от назначения водозаборного сооружения и источника водоснабжения.

1.7. Отбор воды с помощью водозаборов является согласно Водному законодательству СССР специальным водопользованием. В соответствии с этим при рассмотрении вопросов использования поверхностных вод для целей водоснабжения требуется согласование условий специального водопользования и получение разрешений на него.

1.8. Класс гидротехнических сооружений следует принимать в соответствии со СНиП 2.06.01-86 «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования».

Общие требования к источнику водоснабжения и водозаборным сооружениям

1.9. Выбор источника водоснабжения осуществляется на основе геодезических, геологических, гидрогеологических, гидрологических, гидротермических, ихтиологических, гидрохимических, гидробиологических инженерных изысканий, санитарных и других исследований, а также технико-экономических расчетов.

1.10. В качестве источника водоснабжения могут быть использованы поверхностные воды водотоков и водоемов.

1.11. Источник водоснабжения должен удовлетворять следующим требованиям:

обеспечивать отбор воды необходимого количества с учетом роста водопотребления на перспективу;

обеспечивать бесперебойное снабжение водой потребителей;

иметь воду такого качества, которое в наибольшей степени отвечает нуждам потребителей или позволяет достичь его путем экономически оправданной очистки;

обладать объемами, позволяющими производить забор воды из него без нарушения сложившейся экологической системы;

обеспечить возможность подачи воды потребителю с наименьшей затратой средств.

1.12. Выбор источника водоснабжения по нескольким вариантам должен производиться на основании тщательного изучения и анализа перспективного использования водных ресурсов района, в котором он расположен.

1.13. При оценке использования водных ресурсов с учетом требований п. 1.11 следует учитывать:

расходный режим, водохозяйственный баланс и устойчивость ложа, поймы или берегов с прогнозом на 15-20 лет;

требования к качеству воды, предъявляемые потребителями;

качественную характеристику воды в источнике с прогнозом возможного ее изменения с учетом поступления сточных вод;

качественные и количественные характеристики мутности, водной растительности, планктона, биообрастателей и сора, их режимы и перемещение донных отложений;

наличие вечномерзлых грунтов, возможность промерзания и пересыхание источника, наличие снежных лавин и селевых явлений, а также других стихийных явлений в водосборном бассейне источника;

осенне-зимний режим источника и шуголедовые явления в источнике;

температуру воды по периодам года и ее стратификацию;

характерные особенности весеннего вскрытия источника, половодья и прохождения паводков;

требования органов по регулированию использования и охране вод, санитарного надзора, охраны рыбных запасов и др.;

возможность организации зон санитарной охраны при необходимости забора воды на хозяйственно-питьевые нужды;

технико-экономическую оценку условий комплексного использования вод различных источников рассматриваемого района.

1.14. При оценке достаточности водных ресурсов источника следует учитывать обеспечение гарантированного расхода воды после ее забора.

1.15. В случае недостаточности водных ресурсов источника следует предусматривать регулирование естественного стока воды в пределах одного года (сезонное регулирование) или многолетнее регулирование, а также возможность переброски воды из других более многоводных источников.

1.16. Во всех системах водоснабжения необходимо предусматривать мероприятия для предотвращения механического, биологического и минералогического загрязнений воды, отбираемой водоприемниками, при последующем ее транспортировании по каналам и водоводам.

1.17. В случае, если ожидаются шуголедовые явления, в источнике водоснабжения необходимо предусматривать электрообогрев решеток, подвод к водоприемникам теплой воды или сжатого воздуха, импульсную промывку в сочетании с обратной, покрытие стержней сороудерживающих решеток гидрофобным материалом и др.

1.18. При отборе воды из источников, имеющих рыбохозяйственное значение, следует предусматривать рыбозащитные устройства.

1.19. В водозаборах с самотечными или сифонными водоводами их должно быть не менее двух.

1.20. В зависимости от местных условий забора воды необходимо изыскивать такое место расположения, тип и компоновку конструктивных элементов водозаборного сооружения, при которых будет сведено до минимума нарушение бытового режима источника водоснабжения.

Наилучшим проектным решением является такое, при котором не нарушается бытовой режим источника водоснабжения в процессе эксплуатации водозабора.

1.21. В тяжелых или очень тяжелых местных условиях отбора воды из источника допускается использование дублирующих водоприемных устройств, размещаемых в различных местных или природных условиях забора воды, а при их большой удаленности- двух водозаборных сооружений.

Требования к материалам инженерных изысканий

1.22. Состав и объем изысканий для проектирования водозаборов устанавливаются нормативными документами. В процессе изысканий необходимо получить сведения для составления прогноза возможных изменений окружающей природной среды в районе строительства.

1.23. Техническое задание и программа составляются на весь комплекс инженерных изысканий, при этом должны максимально использоваться материалы ранее выполненных изыскательских работ и другие имеющиеся данные о природных условиях заданного района.

1.24. Гидрологические изыскания выполняют в четыре этапа:

I - для выявления перспективных источников водоснабжения;

II - на перспективных участках источников водоснабжения;

III - на выбранных участках источников водоснабжения для разработки ТЭО (ТЭР);

IV - на выбранном участке источника водоснабжения для разработки проекта.

Минимальная продолжительность стационарных гидрологических наблюдений, осуществляемых на II и III этапах, должна быть не менее двух лет.

Состав гидрологических наблюдений в зависимости от этапа работ различается только степенью детальности проработки вопросов.

1.25. Гидрологические изыскания на I этапе осуществляются для выявления перспективных источников водоснабжения на основе изучения и сравнения гидрологических условий пунктов (районов) размещения водозаборных сооружений в рассматриваемом районе с использованием картографических, фондовых и архивных материалов.

При необходимости могут быть проведены рекогносцировочные обследования, включающие единичные замеры и пробы.

На I этапе выявляют:

характер режима водотока или водоема (изменение расходов и соответствующих уровней воды);

максимальные и минимальные уровни воды за многолетний период;

шуголедовые условия;

распределение температур воды по глубине;

возможность пересыхания или промерзания реки и их продолжительность;

химический состав и мутность воды;

наличие источников загрязнения в районе изысканий и выше него;

тип руслового процесса или ожидаемую устойчивость берегов на водоемах;

нарушение естественного режима источника в результате хозяйственной деятельности человека;

участки для постановки дальнейших гидрологических изысканий;

конкурентоспособные пункты по гидрологическим условиям,

а также выдают сравнительные характеристики рассмотренных источников водоснабжения и уточняется программа работ на II этапе.

По I этапу - в составе отчетных материалов (записки) представляется обзорная схема расположения водотоков и водоемов в М 1:25000 - 1:100000, на которой показаны перспективные источники водоснабжения и участки размещения водозаборных сооружений на них.

1.26. Гидрологические изыскания на II этапе, осуществляют на перспективных участках источников водоснабжения для выбранных пунктов строительства водозаборных сооружений на основе изучения полевыми методами гидрологических условий этих участков с организацией стационарных наблюдений.

На этом этапе в отчетных материалах (очерках) обеспечивают выдачу комплекса гидрологических характеристик водных объектов и исходных данных, позволяющих сравнивать их и осуществлять выбор места строительства водозабора по гидрологическим условиям, а также уточнить программу работ III этапа.

В период наблюдений измеряют:

уровни и температуру воды 2 раза в сутки (в 8 и 20 ч);

расход воды 30-100 раз в год;

расход взвешенных наносов не менее 24, донных - 8-10 раз в год;

толщину льда 1 раз в 5 дней;

расход льда и шуги 5-10 раз в осенний и весенний периоды, а также наблюдают за образованием шуги, внутриводного и поверхностного льда ежедневно до устойчивого ледостава.

Отбор проб для химического анализа воды производится не менее 8 раз, а для бактериологического - не менее 4 раз в год с освещением всех фаз гидрологического режима водотока.

Для установления типа и интенсивности руслового процесса следует выполнять не менее двух съемок в год в течение ряда лет.

При наблюдениях на водоемах предусматриваются измерения:

уровней и температуры воды в намечаемых створах водозаборов на двух-четырех вертикалях;

элементов ветровых волн и характер их трансформации;

интенсивности течений, возбуждаемых волнением в прибрежной зоне;

расхода взвешенных и донных наносов в прибрежной зоне при различной интенсивности волнения;

переработки берегов и прибрежных склонов после наиболее интенсивных штормов (не менее 3-4 съемок в течение ряда лет);

толщины льда (2-3 измерения), его торошения, навалов на берег, структуры по разрезам его физических свойств (в течение двух-трех периодов устойчивого ледостава).

Отбор проб для химического анализа воды производится не менее 8 раз, а для бактериологического - не менее 4 раз в год с освещением всех фаз гидрологического режима водоема.

1.27. По материалам выполненных гидрологических изысканий составляется технический отчет, в котором освещаются упомянутые характеристики объектов, делается заключение о сформировавшихся русловых процессах, дается сравнительная оценка гидрологических условий рассматриваемых участков, рекомендации по размещению водозаборных сооружений и необходимости проведения дальнейших изысканий.

Заключение о типе руслового процесса и прогноз переформирования русла и поймы или берега и прибрежного склона на участке водозабора составляются на основании анализа многолетних материалов топографических и гидрометрических съемок. В случае отсутствия таких материалов прогноз русловых деформаций или переработки берега и прибрежного склона составляется в соответствии с установленным типом руслового процесса на основе гидроморфологического анализа по имеющимся методикам.

Прогноз русловых и пойменных деформаций или переработки берега и прибрежного склона позволяет обосновать выбор места расположения, тип и компоновку элементов водозаборных сооружений (схему, плановую и вертикальную посадки) и наметить мероприятия, обеспечивающие нормальную работу их в процессе эксплуатации.

Минимальный объем топографических и гидрометрических данных, необходимых для обоснованного заключения о типе руслового или берегового процессов и образовавшихся в ходе его развития специфических форм поперечного сечения русла или профиля прибрежной зоны, зависит от плановой конфигурации водотока или водоема.

На небольших водотоках со сравнительно прямолинейным руслом, которым сопутствуют обычно ленточно-грядовый, осередковый или побочневый типы руслового процесса, съемку реки необходимо проводить на участке длиной 20-30 ширин русла по обе стороны от намечаемого створа водозабора с интервалом между промерными поперечниками, равным двум-трем средним глубинам потока при ленточно-грядовом и осередковом и одно-двухкратной ширине русла при побочневом типе руслового процесса.

1.28. В водотоках с извилистым руслом, для которых характерно существование ограниченного, свободного или незавершенного меандрирования, съемку производят по длине, включающей две-три излучины реки выше и ниже водозабора с интервалом между поперечниками, равным одному-двум ширинам русла. Промерные поперечники за пределами русла доводят до отметок, на 1 м превышающих уровень высоких вод. В случае пойменной многорукавности изыскания проводятся исходя из наличия тех русловых процессов, которые формируются в протоках.

На водоемах с относительно прямолинейной конфигурацией берега и прибрежного склона в пределах 1000-1500 м по одну и другую сторону от намечаемого створа водозабора съемку прибрежной зоны можно ограничить 500 м в обе стороны от его створа.

В случаях значительной изрезанности берега и прибрежного склона, выходящих за пределы прибойной зоны (мысы, бухты, заливы, инженерные сооружения и др.), съемку, как и гидрологические измерения, необходимо расширять за пределы выступающих в водоем препятствий.

1.29. Масштабы геодезической съемки участка реки, на котором предполагается строительство водозабора, назначаются в пределах 1 : 2000 - 1 : 500, а высота сечения рельефа - от 2 до 0,5 м. В особых случаях, например при интенсивной застройке участка намечаемого расположения водозабора, эти величины могут изменяться с внесением соответствующих обоснований в программу изысканий.

Для сокращения объема полевых работ и времени изысканий рекомендуется применять аэрофотосъемку. Масштабы аэрофотоснимков для рек шириной до 300 м назначаются 1 : 5000 - 1 : 15 000, для крупных рек - до 1 : 20 000.

1.30. Гидрологическими изысканиями на III этапе обеспечиваются детальное изучение гидрологических условий для определения перспективных площадок размещения водозаборных сооружений в пределах выбранного участка строительства, проведение стационарных, при необходимости, специальных исследований. На основе анализа материалов изысканий и сравнения характеристик гидрологических условий намеченных площадок в отчетных материалах выдается уточненная оценка гидрологических условий выбранных участков размещения водозаборных сооружений. На этом этапе уточняется также программа работ IV этапа.

1.31. На IV этапе производятся необходимая детализация и уточнение гидрологических характеристик на основе продолжающихся стационарных наблюдений на избранном участке размещения водозаборных сооружений.

1.32. Характеристики, необходимые для выбора места размещения водозаборных сооружений, должны основываться на данных гидрологических наблюдений Госкомгидромета и других ведомств, а также гидрологических изысканий, проведенных на источниках водоснабжения в районе размещения водозабора.

1.33. Объективную оценку условий забора воды из избранного источника можно получить путем обследования и анализа опыта эксплуатации выше и ниже расположенных водозаборных сооружений. Они обычно позволяют раскрыть всю совокупность факторов, особенно трудно уловимых гидротермических, гидробиологических и гидроморфологических процессов, а также ихтиологических условий, что позволит повысить качество проектирования.

1.34. Отчетные материалы (записки, очерки) по составу и объему должны содержать необходимые для выбора места размещения водозаборного сооружения расчетные данные и другие материалы, включая заключение, в соответствии с нормативными требованиями.

Состав инженерно-геодезических и инженерно-геологических изысканий и исследований в данном Пособии не рассматривается

2. Условия забора воды из водотоков (рек). Характеристика гидрологического режима

Гидрологические данные

2.1. В гидрологическом отношении каждая река в выбранном створе характеризуется следующими данными, используемыми при проектировании водозаборов:

изменением расхода воды в течение года (гидрографом реки);

графиком связи расходов и уровней воды (кривая Q = f(H));

графиком уровней воды в данном створе;

графиком связи уровней в различных створах;

продолжительностью стояния уровней воды;

водностью реки и твердым стоком.

2.2. Изменение уровня воды в течение года вместе с гидрографом отражает особенности питания реки. В зависимости от снегового, дождевого, ледникового, озерного, подземного питания различают гидрографы только с одним весенним пиком подъема уровня, со многими пиками в зависимости от выпадения дождевых ливней, с одним продолжительным летним подъемом уровня воды, соответствующим таянию ледников, и с практически одинаковым уровнем при питании реки из озер.

В настоящее время в связи с гидротехническим строительством бытовые формы гидрографов оказываются на ряде рек измененными в результате многолетнего регулирования стока.

2.3. Графики связи расходов и уровней воды, кривые связи H = f(Q), являются важнейшими показателями водности и уровенного режима реки. Однако при использовании этих графиков необходимо учитывать их различие для открытого и закрытого льдом русла, различать фазы подъема и спада уровней, учитывать возможность зашугованности и деформации русла. Так, при проходе половодной или паводочной волны расход воды на подъеме оказывается большим, а на спаде меньшим при одной и той же отметке уровня воды. Кривые H = f(Q) имеют при этом петлеобразный вид.

2.4. Графики высоких и низких уровней воды в данном створе с показанием отметок ледостава и ледохода, зажорных и других уровней являются полезными, особенно если на них указаны основные отметки дна русла, верха и низа окон проектируемого водозабора, отметки верховой стенки и отражателя самопромывающегося ковша (рис. 1). Такие графики определяют вертикальные габариты водозаборов и наглядно демонстрируют все возможные осложнения при их будущей эксплуатации.

Рис. 1. Характеристика уровня воды в створе водозабора

2.5. Графики связи уровней между различными водомерными постами часто используются для нахождения уровня воды в промежуточном створе. Наиболее надежными такие графики связи оказываются только для периода открытого потока в устойчивом русле.

2.6. Большое значение имеют кривые повторяемости и кривые продолжительности уровней воды, которые позволяют определять число дней, в течение которых уровни не опускаются ниже данной отметки, и сколько дней в году наблюдаются эти уровни.

2.7. Водность реки характеризуется максимальным и минимальным расходами воды. Для целей водоснабжения расчетными являются минимальные расходы Q_min различной обеспеченности.

Русловые деформации

2.8. В русловом процессе реки выделяют обратимые и необратимые деформации. К первым относятся повторяющиеся изменения русла при прохождении по нему песчаных гряд, размывы плесовых ложбин и отложения наносов на перекатах в половодье, а в межень - деформации противоположного знака, сползание излучин или их разворот в плане.

К необратимым деформациям относятся очень медленно происходящие (вековые) изменения, трудно преодолеваемые рекой природные факторы, а также изменений, связанные с возводимыми в реке инженерными сооружениями.

2.9. Выделяют пять основных типов руслового процесса (макроформ). При этом не исключается возможность смешанных типов руслового процесса (рис. 2).

Рис. 2. Типы руслового процесса

1 - ленточно-грядовый; 1a - русловая многорукавность; 2 - побочневой; 3 - ограниченное меандрирование; 4 - свободное меандрирование; 5 - незавершенное меандрирование; 5а - пойменная многорукавность

2.10. При ленточно-грядовом типе руслового процесса деформация русла происходит в результате поступательного движения больших ленточных гряд с сезонным изменением их высоты по всей ширине русла (рис. 3). В условиях низкой межени движение ленточных гряд может приостанавливаться. Обнажающиеся при этом вершины гряд образуют одиночные осередки. Гребни гряд отстоят одни от других на расстоянии примерно четырех - восьми ширин русла. Русло реки в плане имеет незначительную и неупорядоченную извилистость. Плановые деформации не характерны. Пойма отсутствует или является унаследованной от других типов. Этот тип руслового процесса обычно наблюдается в верховьях рек в слаборазвитых излучинах с начальной стадией меандрирования, в протоках, в спрямляющих излучинах и в каналах (см. рис. 3). Он может быть и при других типах руслового процесса.

Рис. 3. Ленточно-грядовый тип руслового процесса

l_лг - шаг ленточной гряды; h'_лг – высота ленточной гряды

2.11. При побочневом типе руслового процесса ленточные гряды перекашиваются в плане, причем направление перекоса смежных гряд противоположно (см. рис. 2). В межень прибереговые части этих мезоформ обсыхают, образуя песчаные отмели (побочни), располагающиеся по длине реки в шахматном порядке. Затопленный гребень гряды образует перекат. Снизу к гребню нередко примыкает коса, образующая затон. Пойма не характерна (рис. 4).

Рис. 4. Побочневой тип руслового процесса

l_пб - шаг побочия; B_бp - ширина русла; В - ширина меженного русла; 1-13 - поперечные створы

Деформации русла сводятся при этом типе руслового процесса к сползанию в половодье перекошенных в плане ленточных гряд. Плановые деформации берегов наблюдаются на участках подвальев гряд, но не получают большого развития.

2.12. Для ограниченного меандрирования характерно наличие неразмываемых берегов реки. В реке появляются извилистость выходящего на пойму паводочного потока и чередование отрывов течения от берегов. В местах отрыва возникает слабое течение или появляются застойные зоны, где оседают взвешенные наносы. В результате образуются отдельные небольшие пойменные массивы, привязанные к излучинам реки. Плановые деформации выражаются в сползании вниз по течению излучин и огибаемых ими пойменных массивов без существенного изменения их плановых очертаний и продольного профиля дна (см. рис. 2).

Вертикальные деформации сопровождаются снижением отметок перекатов в межень и их восстановлением в первую половину половодья. В плесе деформации имеют обратный ход, а именно: размыв в половодье и намыв в межень (рис. 5).

Рис. 5. Ограниченное меандрирование

l_и - шаг излучины; a_разв - угол разворота; В_бр - ширина русла; В_М - ширина пояса меандрирования; В - ширина меженного русла; т - участок подмываемого берега

2.13. Для свободного меандрирования характерен замкнутый цикл развития излучин. Каждый цикл начинается с искривления русла и формирования излучины. При этом в начале цикла излучины обычно сползают (см. рис. 2). При этом, в отличие от ограниченного меандрирования, углы разворота постепенно увеличиваются. При дальнейшем увеличении угла разворота сползание сменяется разворотом излучины или ее вытягиванием. При больших углах разворота начинается раздвоение плесов и излучина увеличивает асимметрию своих плановых очертаний, приобретая одновременно форму петли. Цикл развития излучины завершается промывом перешейка петли русла. Поток переходит в спрямленное русло, а старое, главное русло, превращается в старицу. После прорыва перешейка цикл развития излучины повторяется (рис. 6).

Рис. 6. Свободное меандрирование

l_и - шаг излучины; S_и - длина излучины; a_разв - угол разворота; a_вх - угол входа; a_вых - угол выхода; b - угол сопряжения излучины

2.14. При незавершенном меандрировании русло реки развивается по схеме свободного меандрирования, но цикл деформаций прерывается в результате образования спрямляющего потока. Последний создается до достижения излучиной формы петли обычно при резком несовпадении динамических осей потока в половодье и в межень. Тип процесса распознается по наличию на меандрирующем участке двух русел: первичного русла и спрямляющего протока (см. рис. 2).

2.15. Пойменная многорукавность возникает в поймах, затапливаемых на большую глубину или сложенных различными по крупности отложениями. Спрямления русел охватывают не только отдельные излучины, но часто и серию излучин, образуя длинные пойменные протоки и большие пойменные острова (см. рис. 2).

В протоках могут существовать различные типы руслового процесса. При анализе материалов по пойменной многорукавности требуется фрагментирование всех протоков, т. е. выделение тех типов процесса, которые в них обнаруживаются.

2.16. При русловой многорукавности меандрирующие реки в отличие от ленточно-грядового типа руслового процесса не используют для транспорта наносов имеющегося продольного уклона реки. В случаях же, когда реки оказываются перегруженными наносами и предельный продольный уклон оказывается для них недоиспользованным, русло заметно мелеет и развивается в ширину. При этом транспортирующая способность потока увеличивается, а само русло становится неустойчивым. Возникающие осередки делят русло на ряд коротких рукавов, часто изменяющих свое плановое положение (см. рис. 2 и 1, а).

2.17. Мелкие песчаные гряды (микроформы) обнаруживаются во всех типах руслового процесса, однако распределение гряд по дну реки крайне неравномерно. Например, на ленточных грядах размеры гряд уменьшаются в направлении к их гребню, а наибольших размеров достигают в местах сопряжения склонов средних форм с плесовыми лощинами. В подвальях мезоформ микроформы выражены слабо. В плесах, особенно у вогнутых берегов излучины, микроформы часто отсутствуют. Движение микроформ осуществляется во все фазы водного режима, а их параметры подвержены сезонным колебаниям.

Оценка деформаций речного русла

2.18. Оценка переформирования речного русла и поймы производится расчетом и прогнозом русловых деформаций, основанных на структурных представлениях об изменении плановых и высотных (глубинных) очертаний русла, происходящих за счет перемещения русловых образований трех типов: микроформ, мезоформ и макроформ. Оценка переформирований может производиться также на основании сопоставления картографических материалов или данных эхолотирования.

Рис. 7. Песчаные гряды (микроформы) в последовательные отрезки времени

h_г - высота гряды; l_г - длина гряды; Dl_г - смещение гряды за время Dt

Высота микроформ (гряд) установившегося профиля (рис. 7) может определяться по формуле

,                                               (1)

где

,                                                 (2)

или при Н>1 м по формуле

,                                           (3)

где

.                                  (4)

При отсутствии входящих в приведенные зависимости данных высота гряд может быть приближенно оценена соотношением:

при H < 1 м        h_г = 0,25H;                                                (5)

при H > 1 м        h_г = 0,2 + 0,1H.                                         (6)

Ориентировочно максимальную высоту гряд h'_г в половодье можно определять по формуле

h'_г = 2,5h_г                                                                (7)

где h_г - высота гряд в межень, измеренная перед половодьем или спустя месяц после него.

2.19. Длина гряд установившегося профиля может определяться по формуле

                                                           (8)

или для приближенных расчетов по формуле

l_г = 4,2H.                                                                 (9)

В условиях половодья максимальная длина гряд может быть рассчитана по приближенной зависимости

l'_г = 2,5l_г,                                                               (10)

где l_г - длина гряд в межень, измеренная до половодья или спустя месяц после него.

2.20. Скорость смещения микроформ, м/с, следует определять по формуле

,                                                      (11)

а период смещения - по зависимости

t_г = l_г/с_г,                                                                (12)

где l_г и с_г - рассчитываются по формулам (8), (9) и (11).

2.21. Расход донных наносов в объемном выражении q_дн, м²/c, рассчитывается по формуле

.                                                (13)

2.22. При отсутствии подробных и разновременных топографических съемок русла высоту h_лг и длину l_лг ленточных гряд на данном участке реки можно определять по приближенным соотношениям:

h_лг = 0,2H_пл;                                                              (14)

l_лг = (4 - 8)В_бр,                                                           (15)

где H_пл - глубина в плесе (между грядами) при уровне воды в пойменных бровках.

2.23. Скорость движения ленточной гряды при расходе воды, соответствующем уровню пойменных бровок, м/с, определяют по формуле

с_лг = l_лгq_дн/F_гр,                                                            (16)

где F_гр - площадь продольного сечения гряды, равная

F_гр = a_лгh_лгl_лг,                                                              (17)

где a_лг = 0,6 - коэффициент формы гряды; q_дн - удельный расход донных наносов, равный

q_дн = 0,00453(u_ср/u_нр)d_ср(u_ср - u_нр)(Н/d_ср)^0,33.                             (18)

При определении удельного расхода донных наносов по формуле (13), когда известна высота микроформ h_г, скорость движения ленточной гряды определяется по формуле

,                                                 (19)

а период смещения - по зависимости

t_лг = l_лг/с_лг.                                                           (20)

2.24. Высота и длина побочня определяются по формуле

h_пб = 0,3Н_пл,                                                          (21)

а при наличии сведений о расходах воды -

,                                                  (22)

где (Q₅₀)_max - максимальный расход 50 % обеспеченности, м³/с;

l_пб = 0,02/IН_пл,                                                       (23)

где I - средний уклон потока на участке большого протяжения (8-10 мезоформ) или

.                                                     (24)

Скорость и период смещения побочня могут определяться по формулам (16), (19), (20).

Величину глубинных деформаций Dz_дн следует рассчитывать по приближенной формуле

,                                                      (25)

где h'_г и h_пб - находятся по формулам (7), (21) или (22).

2.25. Для определения глубинных деформаций при наличии разновременных съемок выбирается съемка, соответствующая максимальной водности, и на некоторой длине участка реки разбивается ряд поперечников. Профили по каждому поперечному створу совмещаются на одном графике (рис. 8). Огибающая профилей ограничивает область максимальных глубинных деформаций.

Рис. 8. Деформации русла при побочневом типе руслового процесса

1, 3, 5, 7, 9 -совмещенные поперечные профили, снимаемые с плана (рис. 4);
а, b, с, d- предельный контур размыва

Величина глубинных деформаций на любом расстоянии от берега определяется с учетом высоты микроформ по формуле

,                                                      (26)

где z_дн - величина колебания отметок дна на любом расстоянии от берега.

При особо ответственных водозаборах и при разнородном составе донных отложений в формулу (26) следует вводить запас DZ_б, равный разности отметок нижней огибающей границы совмещенных профилей и верхней огибающей границы базального слоя.

2.26. При побочневом типе руслового процесса ширина береговой полосы, периодически разрушаемой и восстанавливаемой при движении побочней, определяется по приближенной формуле

DВ_бр = 0,1В_бр,                                                         (27)

где В_бр - ширина русла в бровках.

При наличии разновременных съемок за величину DВ_бр следует принимать ее максимальное значение, определяемое по совмещенным планам русла.

2.27. Для всех разновидностей меандрирования, кроме ограниченного, следует оценивать глубинные деформации и перемещения русла в плане.

2.28. При ограниченном меандрировании глубинные деформации в зависимости от исходного материала могут определяться несколькими способами.

При наличии материалов разновременных съемок - аналогично изложенному выше. При этом поперечные профили должны проходить через русло и через пойменный массив и наноситься нормально к линии, проходящей по середине пояса меандрирования. Совмещаться на одном графике профили должны по вертикальной оси, соответствующей середине пояса меандрирования.

Величина глубинных деформаций русла должна определяться по формуле (26).

При полном отсутствии материала следует использовать реки-аналоги. Аналог должен быть подобен изучаемому участку реки по следующим признакам: типу руслового процесса, степени развитости излучины, уклону дна долины, ширине меженного русла и пояса руслоформирования, расходу воды и продолжительности среднемноголетнего половодья, крупности донных отложений. На участке аналога должны отсутствовать искусственные условия, ограничивающие свободное развитие данного типа русла.

Расчет плановых деформаций русла при ограниченном меандрировании сводится к определению скорости сползания излучин с_и и времени переработки пойменного массива t_пм в пределах пояса меандрирования.

Время t_пм определяется по формуле

t_пм = l_и/с_н.                                                                                                    (28)

2.29. При свободном меандрировании глубинные деформации должны определяться следующим образом:

прогноз отметок в любом поперечном створе по мере развития излучины можно составить, используя глубины в аналогичных створах на других излучинах рассматриваемого участка реки, находящихся в разных стадиях развития;

сезонные деформации дна русла должны определяться на основе совмещения как продольных, так и поперечных профилей, измеренных в половодье и в межень;

при наличии в плесах и на перекатных участках излучины ленточных гряд глубинные деформации должны определяться с их учетом;

на участках перекатов и пляжа излучины в расчет общей величины глубинных деформаций должна включаться высота гряд в половодье, определяемая по формуле (7);

при отсутствии необходимых данных следует воспользоваться материалами по реке-аналогу.

2.30. Прогноз плановых деформаций у вогнутых берегов свободно меандрирующего русла может производиться за период Т лет и при наличии разновременных съемок определяется по формуле

,                                 (29)

где К_н - коэффициент, учитывающий изменение скорости плановых деформаций излучины в зависимости от стадии ее развития и определяемый в функции от угла ворота a_разв по данным табл. 1.

Таблица 1

 - наибольшая в пределах данной излучины скорость смещения бровки вогнутого берега, м/год; Н_max, Н_пл - наибольшие глубины русла в расчетном створе и в пределах всей излучины; Н_ср - средняя глубина на гребнях двух смежных перекатов, ограничивающих излучину и расположенных в местах перегиба средней линии излучины (см рис. 9).

Рис. 9. Плановые деформации при свободном меандрировании

I - существующая береговая линия; II - осевая линия; III - линия наибольших глубин; IV - расчетное положение подмываемого берега; V - изобаты; 1-8 - расчетные поперечные профили

При пользовании формулой (29) расчетные интервалы времени не следует принимать больше пяти лет, а общее время прогноза - больше 20 лет.

При отсутствии разновременных съемок следует приближенно принимать, что среднее плановое смещение бровки вогнутого берега излучин в год составляет 5 % ширины русла между пойменными бровками.

2.31. При незавершенном меандрировании русловые деформации должны рассчитываться для основного русла и для спрямляющего протока.

Расчет планового смещения бровки вогнутого берега основного русла до момента перехода в спрямляющий проток большей части расхода воды должен производиться по формуле (29);

спрямляющий проток на ранней стадии формирования имеет слабокриволинейное русло побочневого типа, и его деформации должны учитываться в соответствии с вышеприведенными указаниями;

после перехода в спрямляющий проток большей части расхода воды основного русла плановое смещение береговой линии протока за Т лет определяют по формуле

DВ_б = 0,2Тс_бр,                                                         (30)

где с_бр - скорость смещения бровки вогнутого берега излучины основного русла.

Гидравлическая структура течений

2.32. Анализ и прогноз условий работы водозаборов требует учета структурных особенностей течения и прежде всего распределения осредненных скоростей по глубине потока. Для русловых потоков наиболее простой и результативной зависимостью на прямом участке является степенная зависимость

u = u_ср(1 + К)h^k,                                                    (31)

где и и u_cp - местная переменная и средняя по глубине скорости течения; h = z/H - относительная глубина потока; К - параметр скоростей на вертикали

K = u_п/u_ср - 1,                                                          (32)

где u_п - максимальная поверхностная скорость.

Величина этого параметра для равномерных речных потоков находится обычно в пределах 0,1<К<0,22.

2.33. Для неравномерных течений, относящихся к выходу потока из плеса на перекат, из подвалья на гребень песчаной гряды, а также из ямы размыва за полузапрудой на равное дно, теоретические пределы изменения параметра К. составляют от 0 до 1 (рис. 10), а практически изменяются в пределах 0,3-0,9.

Рис. 10. Изменение гидравлических параметров потока вдоль гряды

а - изменение эпюры скоростей;
б - изменение параметров К, коэффициента Кориолиса a и глубин потока

Вместе с параметром К изменяется эпюра скоростей от близкой к треугольной в плесе и в яме размыва до близкой к прямоугольной на выходе из плеса на перекат. Вместе со значением К в неравномерных потоках изменяются также глубины Н_г.

Н_г = (1 + К)q/u_п,                                                    (33)

где q - удельный расход, u_п - поверхностная скорость. Последняя в русловых потоках с переменным дном обычно изменяется незначительно. При К = 0 и прямоугольной эпюре скоростей глубина воды оказывается равной

Н_г = q/u_п.                                                            (34)

При К = 1 и треугольной эпюре скоростей глубина потока составит

Н_г = 2q/u_п.                                                          (35)

Дополнительно в расчетах размеров русла может быть найден модульный коэффициент М, зависящий от типа руслового процесса

.                                                    (36)

При свободном меандрировании М = 1,2-1,3, при побочневом типе руслового процесса М = 0,9-1, при осередковом типе М = 0,5.

2.34. Ниже приводится пример расчета глубин потока на участке р. Пинега у с. Холм, имеющей небольшую извилистость в плане. По водности и размерам она характеризуется данными, приведенными в гр. 1-3 табл. 2.

Таблица 2

Средняя отметка, дна переката составляет 11,8 м, средние глубины при различных расходах воды приведены в гр. 4, средние глубины, вычисленные по формуле (36), приведены в гр. 5.

Принимая, что изменение скоростей соответствует формуле (36) с коэффициентом К = 0,33 для расчетных глубин в плесе и на перекате, получим значения 1,33Н и 0,67Н. В частности, при отметке уровня 17,6 и средней глубине, равной 5,8 м для экстремальных глубин, получим значение

Н_min = 1,33 × 5,8 = 7,7 м (с отм. 9,9 м);

Н_max = 0,67 × 5,8 = 3,9 м (с отм. 13,7 м).

Приведенные на рис. 11 линии I и II, отвечающие этим отметкам, показывают, что экстремальные глубины у берегов в наиболее глубоких местах проходят ниже и выше этих линий. При дополнительном учете кривизны потока в плане с радиусом кривизны r необходимо модульный коэффициент М увеличивать пропорционально отношению В/r. В данном случае при В/r = 0,33 корректирующий коэффициент может быть принят равным 1,25. С его учетом экстремальные глубины с отметками 8 и 14,5 близко отвечают поперечным профилям русла (линии IV и III).

Рис. 11. К расчету глубин речного неравномерного потока

1-9 - поперечные сечения русла в различных створах по его длине; I-IV - линии расчетных глубин

2.35. Несколько более сложными, но в естественных руслах очень часто повторяющимися являются неплавноизменяющиеся течения, образующиеся у коротких морфологических форм, таких, как побочни, осередки, пляжи.

Большая распространенность подобных русловых форм и неплавноизменяющихся течений в естественных водотоках свидетельствует об очень устойчивой и однообразной кинематике таких течений. Их многочисленные экспериментальные и натурные исследования приводят к следующей зависимости продольного изменения скоростей вдоль отдельных линий токов:

,                                      (37)

где u₀ и u_x - средние на данной вертикали скорости в начальном (перед русловым образованием) и в расчетном створах; х и х₀ - длина, отсчитываемая от начального створа, и характерная длина, равная 2/3 наибольшей ширины данного морфологического образования;  - коэффициент, имеющий размерность 1/с² и определяемый в зависимости от времени прохождения потоком расстояния по зависимости

                                                     (38)

где m - рассеивающий коэффициент неплавноизменяющегося течения.

Коэффициент т в русловых потоках принимает значения от 1,1до 2 в зависимости от шероховатости русел, угла сужения и раствора линий токов.

По формуле (37) средние по сечению скорости от начального створа до створа с наибольшей шириной морфологического образования (на рис. 15,а от створа I до створа II) увеличиваются, а затем к его ухвостью (к створу III) уменьшаются. Расчетная ширина потока (при Н₀ = const) в соответствии с преобразованным уравнением неразрывности

В_х = В₀ (u₀/u_х)                                                        (39)

сперва уменьшается, а затем увеличивается, определяя собой плановые границы руслового морфологического образования.

2.36. Расчеты по формуле (37) можно заменить графическим приемом (рис. 12), используя график Du/Du₀ = F(x/x₀).

Рис. 12. Безразмерный график продольного изменения добавочных скоростей в неплавноизменяющихся течениях

1-12 - экспериментальные точки различных авторов

При заданном значении подходной скорости u₀ и относительного стеснения русла в плане (d/B) оказываются известными исходные безразмерные значения х/x₀ иDu/Du₀, отложенные на осях абсцисс и ординат этого графика. Снимая с него все остальные значения, можем находить скорость в любом створе потока, а по (39) - и его ширину, т.е. можем построить очертание руслового образования в плане.

Это очертание можно находить сокращенным по длине с округленным головным участком, используя только верхние над линией 0-0 ординаты и сплошную линию, или полным, с остроконечным участком, используя полные ординаты (над линией 1) и пунктирную линию АВ.

2.37. Получающиеся по зависимостям (38 и 39) прямоугольные поперечные сечения потока во втором приближении уточняются по формуле

,                                      (40)

где Х и z - абсцисса и ордината профиля русла; Н₀ и В - глубина и ширина русла; R - радиус кривизны крайней линии тока.

Для фиксированных створов у головы полузапруды и в сжатом сечении значения R определяются по рис. 13 в зависимости от отношения d/B и от рассеивающего множителя т.

Рис. 13. Зависимость радиусов кривизны крайней линии тока от относительной ширины d/B и от коэффициента рассеивания m

Применение расчетных формул (37) и (39) предполагает известные из натурных съемок основные размеры морфологических образований - их длину (или шаг повторения по длине русла) и максимальное стеснение в плане. При отсутствии этих данных шаг повторения образований, например побочней, находится по приближенной формуле

.                                                        (41)

Пределы применимости в зависимости от типа руслового процесса указаны на рис. 14.

Рис. 14. Пределы изменения относительной длины макроформ в зависимости от числа Фруда потока и возможной раздвоенности потока внутренними морфологическими образованиями (осередками)

1 - при компактном потоке; 2 - при наличии одного ряда осередков

Стеснение русла d/B принимается то, которое преобладает на данном участке реки, например в пределах 1/4 - 1/3 ширины потока в бровках русла.

2.38. На рис. 15 приводится пример расчета плановых очертаний речного побочня с округленным и остроконечным головным участком, а также поперечных сечений русла. Исходные данные для расчета: ширина реки 40 м, средняя глубина на участке 1 м. Подходная скорость течения 0,66 м/с. Размеры побочня в плане вычислены по формулам (37) и (39). Поперечные сечения вычислены по формуле (40).

Рис. 15. К расчету планового очертания побочня и поперечных сечений русла

а - план побочня; б - расчетный график изменения осредненных скоростей, вычисленных по уравнению (37); х₀ - абсцисса максимальной глубины

2.39. Поток на изгибе русла представляет собой сложное трехмерное течение, значительно различающееся в жестком и в размываемом русле. В жестком русле благодаря неравномерности распределения центробежных сил по глубине потока, пропорциональных квадрату местной скорости, возникает поперечная циркуляция. Поверхностные линии токов, направляясь к вогнутому берегу, имеют меньшую кривизну, чем кривизна поворота русла. Донные, более крутые, линии токов, направленные к выпуклому берегу, совместно с поверхностными создают винтовое течение.

В зависимости от средней скорости и радиуса кривизны формируется перекос свободной поверхности с разностью уровней у берегов

.                                                          (42)

2.40. В излучинах рек необходимо учитывать эффект отрыва течения от выпуклого берега, способствующего выпадению в зонах отрыва влекомых наносов и образованию здесь побочной и пляжей. Возникновение отрыва в прямых руслах искривляет поток и способствует возникновению побочневого типа руслового процесса (рис. 16).

Рис. 16. Постепенное искривление руслового потока в плане, начиная со схемы обтекания побочня (a) и заканчивая течением на излучине с отрывом от выпуклого берега (б), (в);

1, 2 - поверхностные и донные линии токов; 3 - первоначальная ширина русла

Использование допущения о линейности изменения градиентов гидромеханического давления и уклонов свободной поверхности вдоль искривленных в плане линий токов позволяет теоретически описать поток на закруглении реки с отрывом от выпуклого берега (рис. 17).

Рис. 17. Пример расчета плана течений и гипсометрии потока на закруглении

а - план; б, в - продольный и поперечный разрезы; г - уклоны свободной поверхности у вогнутого берега

2.41. При обильных наносах поток на повороте имеет другую структуру, существенно отличающуюся от поворота вокруг оси. Выходя на поворот донные наносы движутся поступательно, формируя большую ленточную гряду, стабилизируя прямолинейную ось потока и заполняя собой основное сечение потока на повороте русла. Свободной от этих наносов остается только та часть области поворота, где основной поток воды после набегания на вогнутый берег опускается на дно и, следуя вдоль подвалия гряды, создает донное винтовое течение, вдоль гребня образованной песчаной гряды (рис. 18). По этой гидравлической схеме формируется большинство потоков на повороте естественных русел, и неучет возможности почти полного занесения наносами всей области поворота с остановлением в качестве «живого сечения» только небольшой затененной части у вогнутого берега приводит иногда к тяжелым последствиям при эксплуатации размещаемых на повороте водозаборов. Примером такого неудачного осуществления проекта водозабора является крупная насосная станция на р. Оби в районе г. Барнаула, питающаяся в настоящее время из узкой затонской части реки, искусственно поддерживаемой землечерпанием.

Рис. 18. Структура руслового потока на повороте русла при обильных донных наносах

2.42. У многих инженерных сооружений (у полузапруд и дамб ковша) наблюдается гидравлическая схема стеснения потока в плане. По А. С. Образовскому она связана с образованием остановившейся волны перемещения, которая разграничивает зону подпора (влево от сечения I-I, рис. 19), зону наибольшего сжатия (в пределах сечения III-III) и разделяющую их зону (в районе сечения II-II), дающую представление о невозмущенном, но стесненном потоке со скоростью u₀ в створе II-II.

Рис. 19. Остановившаяся волна перемещения (вп) по А. С. Образовскому

Отвечающие зонам подпора и сжатия средние по вертикали скорости u_п, u_с принимаются равными:

;                                                   (43)

;                                                 (44)

где = 0,6, = 0,95, x = 0,15.

Скорость u₀ в сечении II-II связана с бытовой скоростью u_а (в пределах стеснения В) выражением

u₀ = u_a n/(n - 1),                                                         (45)

где n = B/d характеризует отношение величины прибрежного стеснения участка реки шириной B к выступающей преграде d.

В расчетах при большой ширине реки значение п принимается равным (5-6) в жестком и (3-4) в размываемом русле. Считается, что за этими пределами влияние стесняющего потока сооружения и остановившейся волны мало и им можно пренебречь.

2.43. Длина спада волны, равная длине ограниченного им водоворота (по Образовскому) принимается равной (5-6)d. По Рахманову - длина водоворота зависит от глубины потока и от шероховатости русла. На рис. 20 приводятся графики зависимости L/d = f (В/Н) при различных коэффициентах Шези С. Согласно опытным данным и теоретическим решениям, длина спада волны перемещения (длина водоворота) зависит от числа Фруда. Для отношения n = 4, Fr = 10^-3-10^-4, В/Н = 10 (жесткое гладкое русло)

.                                                (46)

Рис 20. Относительная длина волны перемещения L/d в зависимости от относительной ширины русла В/Н и коэффициента Шези С

2.44. Скорость возвратного течения в контурах водоворота принимается в пределах

u_об = (0,15 - 0,35) u_с,                                                     (47)

а в центре водоворота она принимает нулевое значение.

2.45. Высота остановившейся волны для гладкого русла принимается по Образовскому равной двойному скоростному напору

.                                                    (48)

По теоретическому решению она дополнительно зависит от рассеивания энергии при неплавноизменяющемся течении

,                                                             (49)

где m - коэффициент рассеивания в уравнении неплавноизменяющегося движения жидкости. При относительно гладком русле с коэффициентом Шези С = 50 и m = 1; при шероховатом русле при С = 35 m = 1,2; при С = 20 m = 1,3.

Местные деформации речного дна

2.46. Местные деформации речного дна у различных гидротехнических сооружений, у затопленных речных водоприемников, у незатопленных насосных станций, у устоев и бычков моста, у различных отклоняющих поток стенок имеют одну и ту же особенность - размыв дна при подходе к ним и в створе оконечности стенок и отложение вымытого грунта за сооружением. Повышенная размывающая способность потока перед сооружением вызвана, во-первых, образованием местного подпора уровня воды, трансформирующимся в винтовое, часто нестационарное, течение, во-вторых, тем, что донные токи винта всегда относят наносы в сторону от основного направления течения и тем самым создают условия для местного углубления дна. Как известно, в русловом потоке соблюдается принцип замещаемости вымытых и унесенных потоком твердых частиц поступающими наносами с верхних створов. При одном и том же количестве тех и других деформаций русла не происходит. Если же поступление наносов с верхних створов уменьшается или поступающие наносы удаляются винтовым течением в сторону, то возникают благоприятные условия для понижения дна, в частности для местного размыва у сооружений.

Поэтому экспериментаторы и проектировщики при желании иметь местные углубления русла стремятся найти такие очертания основных сооружений или устроить перед ними открылки, буны или системы из последовательно расположенных низких и высоких стенок, чтобы, создавая местный подпор уровня, с наибольшим эффектом отклонить донные течения в сторону. Когда этого местного углубления оказывается недостаточно по протяженности, прибегают к устройству повторных открылков. Те и другие используют имеющуюся кинетическую энергию потока. Если при небольшой скорости течения кинетическая энергия потока недостаточна, прибегают к искусственному ее увеличению, подавая воду для промыва через систему уложенных по дну труб с внешними изогнутыми насадками.

2.47. Одним из эффективных способов создания местного углубления является устройство затопленных V-образных порогов.

Течение за порогом приобретает сложный пространственно-винтовой характер с элементами нестационарности. Подходя к V-образному порогу, поток претерпевает заметное изменение. Его поверхностные линии тока изгибаются в сторону порога, а глубинные линии тока, проходящие на уровне его гребня, подходят к косому порогу почти нормально. Этим поток приобретает начальную закрутку, которая за порогом заметно усиливается и приобретает характер винтового движения. Его донные линии тока устремляются вбок, в сторону оконечности порога, вымывая частицы грунта из района осевой линии MN и переоткладывая их в сторону, в образующуюся за порогом продольную косу (рис. 21).

Рис. 21. Общий вид линий токов у затопленной V-образной преграды

Генерируемый донным порогом винт имеет поперечные составляющие скоростей (по Потапову), равные:

u = u_m sin (py/b) cos (pz/а);                                               (50)

w = w_m cos (py/b) sin (pz/а),                                               (51)

где а и b - поперечные размеры винта.

Максимальные значения u_m и w_m близки к четверти продольной составляющей скорости на подходе к порогу u_¥.

Из теории винтовых течений известно, что наибольшую интенсивность они приобретают в том случае, когда их поперечные размеры (высота а и ширина b) равны между собой, т.е. когда их внешние образующие вписываются в сечение, имеющее форму квадрата.

Из приведенного в табл. 3 соотношения между а и b в зависимости от угла a видно, что a = (60-75°).

Таблица 3

Приведенными данными по интенсивности винтов определяется высота выступа порогов над дном, обычно принимаемая равной 1/3 глубины воды при среднем многолетнем минимальном уровне в реке.

2.48. Проведенные во ВНИИ ВОДГЕО опыты (1985 г.) по назначению оптимального центрального угла при его изменении от 45° до 120° показали:

ширина ямы размыва коррелирует с раствором центрального угла и длиной порогов L и составляет

B = 2,4L sin a/2;                                                     (52)

глубина ямы размыва h_m при всех углах остается одинаковой и составляет l,5h₀;

длина ямы размыва в пределах от порога до бытовой глубины русла равна:

C = 2,5b cos a/2.                                                     (53)

2.49. Нестационарность течения за V-образным порогом заметно усиливает его размывающую способность и часто определяет его геометрические соотношения. По периодическим взмывным течениям, достигающим свободной поверхности, можно судить о повторяющихся срывах потока с гребня донного порога и о частоте этих срывов. Можно предположить, что эти срывы сопровождаются мгновенными сжатиями потока в вертикальной плоскости с образованием в сжатом сечении повышенных скоростей u_с. Если принять, как обычно, эпюру скоростей подходного равномерного потока изменяющейся по вертикали по степенному закону (31), то на уровне гребня потока получим скорость, меньшую поверхностной и даже меньшую средней по глубине u_ср. Однако при обтекании порога и возникновении за ним процесса нестационарного гидравлического сжатия мгновенная скорость увеличивается и может даже приблизиться к поверхностной скорости u_п. Их соотношение определяется высотой возвышающегося над дном порога и в каждом случае может находиться аналитически.

2.50. Деформации дна V-образным порогом имеют ограниченную длину, часто недостаточную для обеспечения фронта размыва у водоприемников большой протяженности. В этом случае прибегают к установке струенаправляющих открылков (рис. 22).

Рис. 22. Схема установки наносозащитных открылков на водоприемнике

Струенаправляющие открылки представляют собой трапецеидальные щиты размером 1,5´4 м, установленные по обеим сторонам водоприемника под углом 15° к горизонтальной плоскости. Удаление донных наносов от водоприемного фронта достигается за счет появления за ними индуцированных скоростей, направленных у дна в сторону от боковой грани водоприемника. Экспериментально установлено, что при транзитных скоростях потока более 1 м/с струенаправляющие открылки позволяют создать устойчивую промоину вдоль водоприемного фронта, удаляя наносы в сторону от водоприемных окон на расстояние большее, чем ширина открылков.

При длине водоприемника до 12-15 м рекомендуется устанавливать только два передних открылка, расположенных на расстоянии 3 м от лобовой грани водоприемника. Открылки устанавливаются по обоим бортам даже в случае одностороннего водоотбора. При длине водоприемника от 15 до 30 м необходимо устанавливать вторую пару открылков (см. рис. 22). Задняя кромка открылка располагается на уровне нижней границы окон на расстоянии 0,5-0,8 м от дна.

С целью защиты от подмыва дно вокруг водоприемника на расстоянии не менее 2 м от его бортов закрепляется щебнем крупностью не менее 100-150 мм.

2.51. Боковой отвод воды является одним из самых распространенных прикладных фрагментов в системах водозабора и в настоящее время считается относительно изученным. В то же время он включает в себя сложные элементы, такие, как поворот части потока, отрыв от обтекаемого внутреннего угла, неплавная изменяемость течения в отводе с резким нарушением гидростатического распределения давления по сечениям, значительное изменение свободной поверхности, возникновение в процессе отвода поперечной циркуляции.

Каждый из перечисленных элементов течения может являться самостоятельным предметом изучения, все же вместе они создают сложный пространственный поток, требующий при практическом использовании ряда упрощений. К ним относятся иногда применяющееся отождествление течения в отводе со входом воды на водослив с широким порогом, неучет условий неплавной изменяемости потока и изменения кривизны свободной поверхности одновременно в плане и в профиле, отождествление поступления наносов в отвод с величиной захвата донных струй из основного русла, неучет элементов возникающего винтового течения. При такой стилизации потока многие особенности течения на входе в отвод не учитываются.

В настоящее время установлено, что захват боковым отводом донных наносов связан не столько с общим поворотом потока в отвод, сколько с отрывом его от входного угла и образованием за ним области с пониженной свободной поверхностью и дефицитом давления. Изучение последнего требует применения методов, разработанных для неплавноизменяющихся течений и прежде всего определения их основных размеров.

2.52. При боковом отводе воды происходит отрыв потока в самом отводе и в основном русле ниже отвода (рис. 23). Несмотря на различие внешних причин отрыва (обтекание входной кромки в первом случае и внезапный отъем жидкости во втором) оба отрыва имеют общую черту: возмущение гидродинамических факторов турбулентного потока. К ним относятся гидродинамические давления, в частности изменение значений 1/r дР/дх, имеющих размерность ускорения в м/с², и неплавное (в гидравлическом понимании) изменение уклонов дz/дs свободной поверхности, в частности значений gi, также имеющих размерность в м/с². Опускание и подъем свободной поверхности будем, следуя А. С. Образовскому, считать как проявление остановившейся волны перемещения. При этом прохождение через эту остановившуюся волну потока жидкости может рассматриваться как возмущение свободной поверхности, имеющее длину волны l₁, период  и частоту , где  - скорость распространения волны на мелководье.

Рис. 23. Боковой отвод воды с образованием зон отрыва в отводе и в основном русле

Возмущение гидромеханического давления может рассматриваться как обычное низкочастотное возмущение турбулентного состояния потока, имеющее длину волны l₂, период  и частоту, где  - скорость распространения крупномасштабных турбулентных образований в открытом потоке, близкая к средней скорости потока u_ср. Значение l₂ принимается равным b₁2pH.

Из равенства указанных частот получим выражение для относительной длины волны перемещения, l₀/H в зоне отрыва, вычисленное при b₁ = 0,37,

.                                                       (54)

В табл. 4 приведено сравнение расчетных а опытных, значений l/Н в отрывном течении за входной кромкой отвода.

Таблица 4

Принятая динамическая схема взаимодействия возмущений от двух динамических, факторов может быть использована и для определения максимального поперечного размера отрыва G из уравнения

                                                   (55)

в зависимости от глубины Н, где h₁ близко к 0,45, и из уравнения

                                                          (56)

в зависимости от ширины В, где h₂ = 0,05.

В табл. 5 приведено сравнение расчетных и опытных значений (55) в отрывном течении в створе наибольшего сжатия потока.

Таблица 5

2.53. Рассмотрение потока в отводе как изменяющегося в плане плоского неплавноизменяющегося течения допускает расчет его по уравнениям (37), (39) и построение по точкам внешней границы, совпадающей с очертанием водоворота.

При этом начало отсчета координаты х и ширины потока b принимается в точке 0 низового входного угла в отвод, в котором имеет место исходная начальная скорость u₀. По мере сжатия потока эта скорость увеличивается на величину u₁, а затем на такое же значение уменьшается. В створе максимального значения скорости ширина потока минимальна. Глубина в отводе Н₀ считается заданной и в первом приближении принимается средней по сечению с уточнением после построения гипсометрии свободной поверхности потока. Значение коэффициента К_b определяется расходами воды в отводе и характеристиками транзитного потока - скоростью и сжатым сечением, назначаемыми на основании вышеприведенных расчетов.

2.54. В табл. 6 приводится пример расчета отрыва потока применительно к следующим исходным данным. Ширина отвода b₀ 0,7 м, глубина 0,11 м; расход воды в отводе Q = 0,172 м³/с; коэффициент  = 0,44. Скорость в начале отвода u₀ = 0,225 м/с; коэффициент водозабора K_в = 0,31, расстояние x₀ = 0,3 м. При этих данных ширина максимального отрыва получена равной 0,283 м, что составляет 40,4 % полной ширины потока.

Таблица 6

2.55. Приведенный в п. 2.54 расчет и построение плоского транзитного неплавноизменяющегося потока в отводе не отражают наблюдающийся в опытах пространственный характер течения. Его можно получить, если дополнительно наложить на полученный поток винтовое течение с поперечными составляющими скоростей, определяемыми по зависимостям (50) и (51). В них а и b - высота винтового течения, равная глубине потока, и ширина, равная b₀, u_x - продольная составляющая скорость потока. В данном случае ей отвечает переменная по длине скорость неплавноизменяющегося течения, равная по предыдущему u₀ + u_x.

Неизвестными в уравнениях (50) и (51) являются максимальные составляющие скоростей u_m и w_m, в том числе в начальном створе потока. В каждом отдельном случае они определяются характером рассматриваемого течения. В данном случае они максимальны в начальном створе, далее по длине потока уменьшаются по гиперболической закономерности.

На рис. 23 приводится построение поверхностных (пунктир) и донных линий токов, выполненное в предположении, что значение u_m в начальном створе равно 0,3 u₀.

2.56. Для учета двойной кривизны в плане и в профиле свободной поверхности потока в зоне отвода применяется система уравнений Высоцкого, позволяющая при ряде обоснованных упрощений охватить все пространственное течение в целом. Она позволяет рассчитать гипсометрию свободной поверхности, выявляя превышение уровня воды над статической плоскостью в зоне отвода и попутно кривизу линий токов в каждой точке потока.

Разность уровней на концах поперечника при небольшой его длине можно приближенно оценивать по уравнению

,                                                        (57)

в которое входят радиусы кривизны: в плане R и в профиле r и скорость потока u_x. Оба радиуса можно находить аналитически раздельно в плане и профиле, рассматривая движение как неплавноизменяющееся с применением графической зависимости (см. рис. 13).

Пример расчета

Исходные данные: скорость потока u₀ = 0,5 м/с, ширина отвода b₀ = 0,7 м; глубина H₀ = 0,11 м;  = 2,011/с².

Определив по графикам рис. 13 минимальный радиус кривизны, отвечающий крайней линии тока застойной зоны равным R = 0,3 м, по известной зависимости

                                                         (58)

находим другие радиусы кривизны через промежутки Dy, в нашем случае равные:

,

где п - число участков.

Радиусы кривизны в плане и профиле равны:

R₁ = 0,3 м; R₂ = 0,58 м; R₃ = 1,34 м; R₄ = 16,38 м; r₁ =3,9 м; r₂ = 5,8 м; r₃ = 13,4 м; r₄ = 163,8 м.

Затем по зависимости (57) определяем значения Dz для каждого створа

Dz₁ = 0,0052 м.

Dz₂ = 0,0035м; Dz₃ = 0,0015 м; Dz₄ = 0,00012 м.

Просуммировав значения перепадов по всему створу, получим SDz_i = 0,0103 м.

2.57. Величина захвата поверхностных и донных струй из основного русла при заданной интенсивности поперечной циркуляции (при поперечных составляющих скоростей u_m и w_m в зависимости от исходной скорости потока, например при u_m = 0,3 u₀) находится графоаналитическим построением линий токов (рис. 24).

Рис. 24. К построению поверхностной и донной линий токов до отвода

Для предварительной оценки ширины захвата донных и поверхностных струй можно пользоваться формулами Образовского и Шаумяна:

S_д = (1,65K_в + 0,04)B;                                                      (59)

S_п = 1,15(K_в + 0,35)B.                                                      (60)

где В - ширина основного русла; К_в - отношение расходов воды в отводе и основном русле.

Классификация условий отбора воды

2.58. Надежность забора воды водозаборными сооружениями, как свидетельствует опыт их эксплуатации, определяется в первую очередь совокупностью топографических, геологических, гидрологических, гидроморфологических, гидротермических и других факторов и процессов или местных условий избранного участка водотока.

2.59. Взаимодействие упомянутых факторов и процессов способствует неодновременности, неоднородности и нестационарности русловых процессов - образования ледостава, распределения наносов, шугольда, мусора и молоди рыб по глубине и по длине водотока.

2.60. Местные условия избранного участка водотока могут изменяться вследствие:

последующей деформации ложа и берегов водотока или его меандрирования;

неоправданного или необоснованного размещения и компоновки конструктивных элементов водозабора в зоне затопления;

изъятия или свала в водоток твердого стока в процессе дноуглубительных работ;

строительства прочих инженерных сооружений (мостовых переходов, портов, лесотоварных бирж и т.д.) в значительной удаленности от створа водозабора;

сброса в водоток более теплой или загрязненной воды на вышерасположенном участке, а также других факторов.

2.61. Условия забора воды из водотоков определяются в зависимости от устойчивости ложа и берегов или русловых процессов, шуголедовых режимов, засоренности источника и других показателей, приведенных в табл. 7.

Таблица 7

Примечание. Общая характеристика условий забора воды определяется по наиболее тяжелому виду затруднений.

3. Условия забора воды из водоемов

Основные особенности водоемов

3.1. Водоемам, особенно водохранилищам, в отличие от водотоков свойственны следующие особенности:

своеобразное колебание уровня воды в течение суток, сезона и года, часто изменяющееся в пределах нескольких метров;

периодическое наличие волнения на поверхности воды;

сложное сочетание стоковых с ветроволновыми, вдольбереговыми, компенсационными, градиентными и другими течениями, возбуждаемыми волнением;

своеобразная динамика прибрежных зон, характеризующаяся интенсивной переработкой берега и прибрежного склона на одних участках и аккумуляцией продуктов этой переработки на других;

вдольбереговая и поперечная миграция наносов, обусловленная местными особенностями избранного участка водоема;

возможность интенсивного заиления избранного участка водоема, особенно в устьях водотоков, бухтах или заливах, примыкающих к берегам и прибрежным склонам, сложенных из несвязных грунтов;

нестационарное качество воды по мутности, температуре, минерализации, содержанию планктона, мусора, кислорода и др.;

появление в прибрежных зонах интенсивных сосредоточенных вдольбереговых, градиентных, инерционных и других течений, транспортирующих массы воды с большим содержанием наносов, планктона, мусора;

местное переохлаждение воды в предледоставные периоды;

возможность перемещения вдольбереговыми течениями на значительные расстояния повышенных концентраций сточных вод с выше- и нижерасположенных участков водоема;

нестационарное по времени направление и величины скоростей стоковых, а также других разновидностей течений, возбуждаемых ветром и волнением;

наличие стратификации воды, обусловленной непостоянством по глубине температур, солености и мутности;

возможность образования над водоприемником вихревого водоворота-воронки, способствующего интенсивному захвату в него поверхностных слоев воды;

чрезмерно повышенное содержание в воде, на отдельных участках наветренного берега планктона, мусора и отмершей водной растительности;

более интенсивное развитие биообрастателей (дрейсены, мидии и др.);

возможность интенсивного зарастания водоема растительностью на участках прибрежных склонов на озерах и водохранилищах, укрытых от волн высотой h ³ 0,75 м, а также морей на глубине до 11 м независимо от параметров волн;

периодические сгонные и нагонные явления или спад и подъем уровня воды, величины которых определяются местными топографическими, метеорологическими и гидрологическими особенностями избранного участка водоема.

3.2. Гидрологические, гидроморфологические, гидротермические, гидробиологические и прочие процессы, развивающиеся в водоемах, существенно отличаются от аналогичных процессов в условиях водотоков. В большинстве случаев они индивидуальны, поскольку обусловлены в первую очередь местными топографическими, метеорологическими, геологическими и другими особенностями избранного участка водоема.

Элементы волн в прибрежной зоне

3.3. На поверхности водоема от действия ветра образуется нерегулярное трехмерное (ветровое) волнение.

Средние высоты , период , а также коэффициент распределения K_i, волны в точке расчета на подходе к прибрежному склону определяют по СНиП 2.06.04-82.*

3.4. Ветровое волнение, образованное в пределах глубоководной или мелководной зон, по мере перемещения на убывающих глубинах стабилизируется или перестраивается в нерегулярное двухмерное волнение. Процесс перестроения сопровождается относительным уменьшением высот и длин волн малой обеспеченности при одновременном увеличении высот и длин волн большой обеспеченности.

3.5. Высоты ветровых волн заданной обеспеченности в пределах плавно убывающих глубин 0,5l_гл ³ Н ³ Н_кр прибрежного склона определяют по формуле

.                                                     (61)

При несложной конфигурации прибрежного склона в зависимости от угла подхода луча волнения K_тр определяют по графику рис. 25, ключ 3, при этом К_р = 1.

Рис. 25. График для определения коэффициентов K_тр и K_l

Величину обобщенного коэффициента K_п в зависимости от заложения прибрежного склона определяют по графику рис. 26, ключ 1.

Рис. 26. График для определения коэффициента K_п

3.6. При волнообразовании в условиях ограниченных глубин среднюю высоту волны  определяют по графику рис. 25, ключ 1 и по формуле

.                                                        (62)

3.7. Среднюю или заданной обеспеченности длину волны без учета ее крутизны или высоты в условиях глубокой воды  при известном периоде  определяют по формуле

 или .                                       (63)

3.8. Период и длину двухмерной волны заданной обеспеченности по расчетным элементам в системе определяют с помощью графика (рис. 27).

Рис. 27. Функции распределения периодов и длин волн на глубокой воде

3.9. Среднюю или заданной обеспеченности длину волны с учетом ее высоты в условиях глубокой воды определяют по формуле

,                                          (64)

где .

3.10. В условиях ограниченной глубины Н_кр £ Н £ 0,5l_i среднюю или заданной обеспеченности длину волны в зависимости от пологости прибрежного склона определяют по графику рис. 28, ключ 2.

Рис 28. График взаимосвязи

a - ; 1 - песчаный склон; 2 - гравийный m = 5-20; 3 - гравийный m = 30-50; б - графики для определения предельных высот волн на заданной глубине и критических глубин H_кр; в - график для определения коэффициента К_m

3.11. Высоту волны заданной обеспеченности к моменту разрушения определяют по графику рис. 28, а, ключ 1.

3.12. Предельно возможную высоту волны h_пр на заданной глубине Н и периоде t_i в зависимости от заложения прибрежного склона определяют по параметру  графика рис. 28, б, ключ 1.

3.13. Критическую глубину Н_кр, на которой начинается разрушение волны заданной обеспеченности на склонах с m ³ 5, определяют с помощью графика рис. 28, б. При этом в зависимости от пологости склона в соответствии с пп. 3.7 и 3.8 определяют высоты волн в трех-четырех точках в месте ожидаемого начала ее разрушения. Полученные результаты накладывают на график рис. 28, б, ключ 2 и осредняют кривой. По точке пересечения этой кривой с кривой, характеризующей пологость склона, определяют величину (ключ 3). С этой величиной входят в график (рис. 28, а, ключ 1) и определяют местное увеличение высоты волны к моменту разрушения h_кр:h_гл. С полученной величиной  входят в график (рис. 28, б, ключ 4) и определяют искомую величину .

3.14. На прибрежных склонах с т > 17 волны открытого водоема по мере перемещения к берегу могут иметь несколько последовательных разрушений (рис. 29). После прекращения первого разрушения появляются новые волны несколько меньшей высоты, которые на некоторой глубине H_кр(2) вновь разрушаются и т.д. Количество и интенсивность последовательных разрушений волн зависят от заложения прибрежного склона на подходе к месту разрушения.

Рис. 29. Общая схема трансформации волн h_т = 302 м,  = 4 с на прибрежном склоне с m = 30, течений, возбуждаемых ветром и волнением, направления перемещения полувзвешенных наносов

1 - направление и величины скоростей ветроволнового и компенсационного течений при ветре W = 20 м/с (фронтальный подход); 2 - то же ветроволнового течения при косом подходе a = 45°; 3 - эпюры скоростей волнового течения в месте начала разрушения волн, рассчитанные по формуле (77); 4 - то же компенсационного течения, по формуле (78); 5 - положение среднего гидростатического уровня при волнении; 6 - траектории полувзвешенных наносов; 7 - траектории орбитального движения жидкости

3.15. Расчет высот волн заданной обеспеченности с начала их первого разрушения на прибрежных склонах выполняется по характеристикам двухмерных нерегулярных волн, эквивалентных исходным трехмерным волнам в условиях глубокой воды.

Высоту эквивалентной волны заданной обеспеченности в условиях глубокой воды определяют с помощью графика (см. рис. 28, б, ключ 4) в соответствии с пп. 3.12 или 3.13 по найденной величине и формуле

                                                     (65)

3.16. Высоты волн заданной обеспеченности, образованные после прекращения первого и последующих разрушений, определяют по формулам

h_1(i%) = K_mh_гл(i%); h_2(i%) = K_mh_(1)гл(i%) и т. д.                                 (66)

При постоянном уклоне прибрежного склона

,

где h_1(i%); h_2(i%) и т. д. - высоты волн заданной обеспеченности, образованные после прекращения первого, второго и последующих разрушений волн той же обеспеченности; h_гл(2)(i%); h_гл(3)(i%) и т. д. - высоты волн заданной обеспеченности, образованные после прекращения первого и последующих разрушений и приведенные с помощью графика (см. рис. 25, ключ 1) и формулы (62) к условиям глубокой воды.

3.17. Величину коэффициента K_m и количество последовательных разрушений определяют с помощью графика (см. рис. 28, в, ключ 1).

3.18. Глубину воды в месте прекращения первого и последующих (за исключением последнего) разрушений волн заданной обеспеченности определяют по формуле

,                           (67)

где n = 1, 2, 3 и т. д. - порядковый номер критических глубин и высот волн заданной обеспеченности; b - коэффициент уклона волновой поверхности в процессе разрушения волн, величину которого определяют по формуле

b = 0,033m + 0,74.                                                      (68)

3.19. На прибрежных склонах с m ³ 10 глубину воды под ложбиной в месте начала разрушения волны  определяют по формуле

.                                                    (69)

3.20. Высоты волн заданной обеспеченности в процессе одного или последнего разрушения на прибрежном склоне определяют по формуле

h_n(i%) = h_кр(n)i% H/H_кр(n)i%.                                                 (70)

3.21. Средние высоты ветровых волн к моменту первого разрушения `h_кр имеют обычно 15-20 %-ную обеспеченность.

3.22. Превышение гребня двухмерной волны h_гр над средним гидродинамическим уровнем воды определяется по графику (рис. 30).

Рис 30. График вертикальной асимметрии профиля волны

Для трехмерных волн (на подходе к первому разрушению) полученные величины h_гр/h могут увеличиваться до 10 %.

3.23. Горизонтальную асимметрию K_l = l_гр/l_л или отношение длины гребня двухмерной волны к длине ложбины по среднему гидродинамическому уровню воды в точке расчета в зависимости от заложения прибрежного склона для волн 15-20 % обеспеченности в первом приближении можно определить по графику (рис. 31, ключ 1).

Рис. 31. График для определения коэффициентов К_l или длин гребня l_гр волн с l_гл : h_гл = 10

3.24. Глубину понижения уровня воды в месте начала разрушения волн определяют по формуле

.                                      (71)

3.25. Высоту подъема уровня или волнового нагона (см. рис. 29) над гидродинамическим уровнем воды при одном разрушении волн на склонах m £ 17 определяют по формуле

,                                                           (72)

где  - коэффициент, зависящий от заложения прибрежного склона, величину которого определяют по графику (рис. 32, ключ 1), для ветровых воли h_кр принимают 15 % обеспеченности.

Рис. 32. График для определения коэффициентов  и

При многократном разрушении волн высоту подъема уровня после каждого последующего разрушения определяют по формуле

 и т. д.                                            (73)

3.26. Высоту волны на урезе воды h_у по среднему ветроволновому нагонному уровню определяют по графику (рис. 33, ключ 1).

Рис. 33. График для определения высот волн на урезе с учетом нагонного уровня воды

3.27. Высоту наката волн над суммарным ветроволновым нагоном на склонах m ³ 5 определяют по формуле

,                                          (74)

где K_ш - определяют по СНиП 2.06.04-82*;  - коэффициент, зависящий от пологости склона, величину которого определяют по графику (см. рис. 32, ключ 2).

Пример расчета элементов ветровых волн

3.28. Требуется рассчитать трансформацию элементов ветровых волн 1 %- и 15 %-ной обеспеченности при угле подхода главного луча a = 30° к относительно прямолинейному прибрежному склону с m = 30. Расчетная скорость ветра w = 25 м/с, средняя глубина воды H = 12 м, конфигурация берегов водоема сложная (рис. 34).

Рис. 34. График изменения высот волн 1 и 15 % обеспеченности по примерам расчета и построения расчетной схемы волнения

Из точки расчета D₀ (рис. 34) проводят главный и вспомогательные лучи, с помощью которых по СНиП 2.06.04-82* определяют `h = 1,41 м и `t = 4,4б с. По рис. 1, Прил. 1 убеждаемся, что при Н = 0,0615 средняя высота волны `h = `h_гл. Там же по графику (рис. 2) определяют или h_1% = 1,41 × 2,2 = 3,1 м.

Высоты волн на относительно прямолинейном склоне в точках расчета с глубинами H = 7,5; 5 и 2,5 м определяют по формуле (61). Для первой точки H = 7,5 м находят отношение  и с графика (рис. 25, ключ 3) снимают K_тр = 0,95 и (см. рис. 26, ключ 1) K_п = 0,99, при этом K_р = 1. Подставляя найденные величины в формулу (61), получаем h_1% = 0,95 × 0,99 × 3,1 = 2,9 м. Аналогично на глубинах H = 5 м h_1% = 2,52 м; H = 2,5 м h_1% = 2,14 м.

Критическую высоту и глубину к моменту первого разрушения ветровых волн определяют с помощью построения кривой трансформации высот волн на графике (см. рис. 28). Для этого на график наносят точки с абсциссами ,  и  и соответствующими ординатами ,  и  (см. рис. 28, ключ 2). По точкам проводят осредняющую кривую. Абсцисса Н_кр:  = 0,015 и ордината  точки, образованной пересечением построенной и характеризующей пологость склона кривых, позволяют получить ожидаемые величины Н_кр(1) = 2,94 м и h_кр(1) = 2,23 м.

Высоту двухмерной волны эквивалентной исходной трехмерной определяют по графику рис. 25 абсциссой  (ключ 3) через коэффициент трансформации и отношение h_1%гл = 2,23 : 0,9=2,48 м. По графику рис. 28, ключ 4 определяется первая критическая глубина Н_кр(1) = 9,81 × 19,8 × 0,018 = 3,5 м. Глубина воды под ложбиной по формуле (69)  = 0,8 × 3,5 = 2,8 м.

Высоту волны, образованной после прекращения первого разрушения, определяют по формуле (66) или h_1%(1) = K_mh_гл = 0,43 × 2,48= =1,07 м, где K_m определяют по графику (рис. 28, в, ключ 1).

Глубину воды в месте прекращения первого разрушения определяют по формуле (67), подставляя в нее величины K_m = 0,43 и b = 0,033 × 30 + 0,74 = 1,74.

Высоты волн к моменту разрушения при  или l : h_гл = 29,6 определяют по графику (см. рис. 28, ключ /) h_кр(2) = h_кp : h_гл = 1,18 или h_кр(2) = 1,07 × 1,18 = 1,26 м.

Глубину воды, на которой начинается второе разрушение волны ординатой  = l,26 : 9,81 × 4,46² = 0,00632, определяют через абсциссу H_кр :  = 0,0082 или H_кр = 0,0082 × 9,81 × 4,462 = 1,62 м по графику рис. 28, ключ 4.

Высоты волн в процессе последнего разрушения на склоне определяют по формуле (70) , по которой на глубине H = 1,5 м -  = l,16 м; Н = 1 -  = 0,77 и и //=0,5- h =0,39 м. Результаты выполненных расчетов представлены на графике (см. рис. 34).

Аналогичные расчеты могут быть выполнены и для волн другой обеспеченности по их высотам и длинам. Расчет для волны 15 %-ной обеспеченности представлен на рис. 34.

Течения в водоемах

3.29. Водоемам, в отличие от водотоков, свойственно многообразие течений не стационарных во времени, по направлению, глубине и величинам скоростей.

3.30. Течения в водоеме можно классифицировать по двум признакам - по происхождению и по действующим силам.

Течения по происхождению подразделяют на первичные и вторичные. К первичным, или исходным, относят обычно ветроволновое, транзитное, стоковое и плотностное течения. Величины скоростей и наносотранспортирующая способность транзитного, стокового и плотностного течений обычно незначительны.

3.31. Основным исходным или первичным является ветроволновое течение. Его интенсивность, зона действия на глубинах H ³ H_кр определяются скоростью ветра и элементами волн, а также их углом подхода к прибрежному склону избранного участка водоема.

3.32. При фронтальном подходе ветра и волн к относительно прямолинейному прибрежному склону в поверхностных слоях воды наблюдается ветроволновое, а при донных - компенсационное течение обратного направления (см. рис. 29). При этом ветроволновое течение обычно находится на глубинах Н £ 0,2 `l, а компенсационное .

3.33. Скорость ветроволнового течения на поверхности воды при ветре w £ 20 м/с можно определить по формуле

u = 0,02w.                                                               (75)

3.34. Распределение скоростей ветроволнового и компенсационного течений на избранной вертикали с глубинами H ³ H_кр рекомендуется рассчитывать по методике А. В. Караушева (см. рис. 29).

Переход поверхностных слоев воды в придонные или ветроволнового течения в компенсационное происходит преимущественно в прибойных зонах.

3.35. На подходе к месту разрушения волн скорости ветроволнового и компенсационного течений увеличиваются. К моменту разрушения волн скорость ветроволнового течения в поверхностном слое u, м/с, приближается или равна скорости их перемещения, величину которой можно определить по формуле

.                                                          (76)

3.36. Распределение скоростей волнового течения по глубине в месте начала разрушения волн, подходящих по нормали к берегу, при прохождении их гребней можно определить по формуле

,                                                        (77)

где h = z/(H_кр + h_кр);

z - глубина воды, отсчитываемая от поверхности склона.

3.37. При прохождении ложбин волн в месте начала их разрушения прослеживается компенсационное течение, распределение скоростей которого можно определить по формуле

,                                           (78)

где .

Величины и распределение скоростей волнового и компенсационного течений по заданным элементам волн на подходе к месту начала их разрушения приведены на рис. 29.

3.38. В зонах разрушения волн или в прибойных зонах орбитальное движение частиц жидкости отсутствует. При прохождении гребней воли массы воды на всю глубину волновым течением смещаются в сторону луча волнения, а при прохождении ложбин - компенсационным течением смещаются в обратном направлении.

3.39. На пологих прибрежных склонах m ³ 17 после прекращения первого и последующих разрушений волн восстанавливается орбитальное перемещение частиц воды, ветроволное и компенсационное течения.

3.40. Величину орбитальной придонной скорости на прибрежном склоне в зоне действия неразрушающихся волн определяют по формуле

,                                                      (79),

где n - коэффициент, принимаемый в зависимости от относительной пологости волн на табл. 8.

Таблица 8

С учетом пологости прибрежного склона и критических глубин величину придонной орбитальной скорости можно определить по графику (рис. 35).

Рис. 35. График для расчета придонных орбитальных скоростей волн l_гл : h_гл = 10

3.41. В большинстве случаев волны открытого водоема подходят под косым углом к избранному участку берега или прибрежного склона. В этих случаях вследствие отсутствия или слабого проявления волнового нагона компенсационные течения на подходе к прибойным зонам обычно не прослеживаются. Пример расчета величин этих скоростей см. на рис. 29.

3.42. В прибойных зонах наряду с волновыми и компенсационными появляются вдольбереговые течения. Вдольбереговое течение - это смещение масс воды прибойной зоны вдоль берега. Оно возбуждается и поддерживается энергией разрушающихся волн или масс воды, транспортируемых ветроволновым течением и сбрасываемых разрушающимися гребнями в прибойные зоны.

Величину средней скорости вдольберегового течения при одном разрушении волн определяют по формуле

,                                               (80)

где S_в - обобщенный коэффициент, величину которого определяют по графику (рис. 36).

Рис. 36. График изменения коэффициента S_в

3.43. При многократном разрушении волн средняя скорость вдольберегового течения в пределах каждой последующей прибойной зоны определяют по формуле

,                                        (81)

где  - высоты волн 15 % обеспеченности к моменту данного разрушения и образованных после его прекращения;

a_n - угол, образованный между лучом волнения и нормалью к склону к моменту разрушения.

3.44. Средняя скорость вдольберегового течения между первой и второй, второй и третьей и последующими прибойными зонами определяется по формуле

,                                                   (82)

где u_n и u_n-1 - средние скорости вдольберегового течения в пределах предыдущей и последующей прибойной зоны.

3.45. Ветроволновые течения как при фронтальном, так и при косом подходе волн, транспортируют в прибойные зоны массы воды с повышенным содержанием планктона, отмершей растительности, мусора.

3.46. В пределах прибойных зон вследствие резкого увеличения скоростей течений, ослабления водообмена с открытой акваторией водоема и повышенной аэрации вода дополнительно переохлаждается и увеличивает плотность или мутность за счет частиц грунта, слагающих поверхность прибрежного склона.

3.47. Повышенная плотность воды способствует появлению в придонном слое плотностного течения, которое при фронтальном подходе волн совпадает по направлению с компенсационным, усиливает последнее, образуя смешанное течение.

3.48. В местах резкого изгиба берега или прибрежного склона вдольбереговое течение за счет инерционных сил и повышенной плотности транспортируемых масс воды может выходить из пределов прибойных зон в открытый водоем (рис. 37, а, в).

Рис. 37. Схемы возможных картин течений в прибрежной зоне водоема

1 - направление луча волнения; 2 - вдольбереговое течение; 3 - инерционное течение; 4 - плотностное течение; 5 - градиентное течение; 6 - берег; 7 -изобаты

3.49. Направление течения, вышедшего из зоны действия возбуждающих сил, названного инерционным, зависит от топографических особенностей и глубин воды на подходе к избранному участку водоема, плотности и исходных скоростей течения, интенсивности, направления волнения и других факторов.

3.50. По мере увеличения глубин воды и уменьшения скорости инерционного течения преобладающее влияние на его перемещение оказывает плотность транспортируемых масс воды. Инерционное течение преобразуется в плотностное, скорость и направление которого определяются топографией водоема, плотностью потока и другими факторами.

3.51. В бухтах, заливах и в местах расположения инженерных сооружений, выступающих в водоем, наряду с описанными разновидностями течений появляется градиентное течение (см. рис. 37, б, г). Оно возникает от перепада давления или уровня воды между прибойной зоной и открытым водоемом. Этот перепад создается за счет скоростного напора вдольберегового течения и волнового нагона.

3.52. Направление перемещения и скорость градиентного течения зависят от топографии прибрежного склона избранного участка водоема, скоростей и плотности масс воды, транспортируемых вдольбереговыми течениями, интенсивности и направления волнения и других факторов. При симметричном контуре прибрежных склонов и подходе луча волн градиентное течение обычно направлено в открытый водоем вдоль оси бухты или залива. При других условиях оно может занимать любое плановое положение.

3.53. После выхода из пределов прибойной зоны или действия возбуждающих сил градиентное течение, как и вдольбереговое, преобразуется в инерционное, а затем в плотностное.

3.54. В зонах действия сосредоточенных течений, выходящих из пределов прибойных зон, независимо от глубины водоема будет нарушаться температурная стратификация воды; в придонных слоях может наблюдаться повышенное содержание планктона, водной растительности, взвеси, интенсивная аккумуляция наносов, а в предледоставные периоды - местное переохлаждение воды и образование донного шугольда.

Миграция наносов и мутность воды

3.55. Миграция наносов на прибрежных склонах вследствие многообразия и нестационарности действующих факторов обусловлена различными условиями: топографическими, гидрологическими, геологическими и др.

Поэтому при расчетах мутности воды, миграции наносов, переработки берегов и прибрежных склонов в месте намечаемого размещения водозаборных сооружений по рекомендуемым ниже методикам необходимы инженерные изыскания, позволяющие вносить в них соответствующие коррективы.

3.56. Частицы грунта, слагающие берега и прибрежные склоны, в зависимости от их крупности, величин орбитальных скоростей и интенсивности течений могут находиться во взвешенном, полувзвешенном, влекомом и неподвижном состояниях.

3.57. Состояние частиц грунта на поверхности прибрежного склона определяется следующими факторами:

их средней крупностью, связностью и заложением прибрежного склона;

величинами и направлением (по отношению к орбитальным) скоростей течений, возбуждаемых волнением, в прибрежной зоне.

3.58. Механизм перемещения наносов зависит от их состояния, крупности, угла подхода луча волнения к прибрежному склону, величин скоростей течений, орбитального движения жидкости и ряда других факторов.

Наносы, находящиеся во взвешенном состоянии, независимо от направления и интенсивности волнения, глубин воды и других факторов транспортируются той или иной разновидностью течения.

3.59. При подходе луча волнения по нормали к прибойной зоне относительно прямолинейного прибрежного склона взвешенные наносы транспортируются преимущественно компенсационными, а затем плотностными течениями в придонном слое в сторону открытого водоема.

Вследствие предельного увеличения придонных орбитальных скоростей, а также волновых и компенсационных течений наиболее интенсивное повышение мутности происходит в зоне разрушения волн (рис. 38).

Рис. 38. Схема изменения мутности на прибрежном склоне, высоты и длины дамб, ограждающих подводящий канал водозабора

1 и 2 - мутность воды при высотах волн h » 0,9 и 1,6 м; 3 - длина и высота дамб, размещенных в пределах прибойной зоны; 4 - длина дамб, ограждающих канал с выходом за пределы прибойной зоны; 5 - то же, размещения в пределах этой зоны

Одновременно полувзвешенные и влекомые наносы вследствие асимметрии профиля волн или орбитальных скоростей на подходе к прибойным зонам перемещаются в сторону берега (см. рис. 29). В зонах разрушения из-за наличия интенсивного компенсационного течения в придонном слое эти наносы перемешиваются в обратном направлении. Такой механизм перемещения полувзвешенных и влекомых наносов способствует образованию подводных валов в условиях стационарных уровней и элементов волн, а также удержанию наиболее крупных частиц грунта в приурезовой зоне водоема (см. рис. 38).

3.60. При косом подходе волн к пологому прибрежному склону вся упомянутая разновидность наносов из-за совпадения направления их перемещения с ветроволновым течением более интенсивно перемещается к месту разрушения волн.

В месте разрушения эти наносы вдольбереговыми течениями перемещаются вдоль берега, а затем, в зависимости от местных условий, градиентными, инерционными и плотностными течениями - в сторону открытого водоема.

3.61. При одинаковой крупности и связности частиц грунта на мутность воды в прибрежной зоне, а вместе с ней и миграцию наносов большое влияние оказывают пологость волн и прибрежного склона, интенсивность их разрушения, относительная глубина - h/H и другие факторы. С увеличением крутизны прибрежного склона, относительной глубины, интенсивности разрушения и пологости волн мутность и миграция наносов при одной и той же их крупности увеличиваются (см. рис. 38).

3.62. Состояние частиц несвязного грунта на пологом прибрежном склоне от действия орбитальных придонных скоростей можно определить с помощью рис. 39.

Рис. 39. Начальные волновые скорости трогания и перемещения частиц грунта на горизонтальном и слабонаклонном дне

1 - кривая начальных скоростей трогания частиц грунта; 2 - кривая начальных скоростей поверхностного сплошного перемещения грунта; 3 - кривая скоростей массового перемещения верхнего слоя грунта

3.63. Среднюю мутность воды от i-той фракции наносов, слагающих ложе водоема или прибрежный склон в зонах действия неразрушающихся волн на избранной вертикали, можно определить с помощью графика (рис. 40) на глубине Н: , где r_i - содержание i-той фракции наносов (в долях единицы) в грунте ложа или склона; a - коэффициент, зависящий от величины придонной орбитальной скорости u_д; w - гидравлическая крупность фракции. Для наносов крупнее 0,01 мм a = 1. При более мелких наносах 0,35 м/с < u_д < 0,5 м/с a = 1,5; при u_д £ 0,35 м/с a = 2. В расчетах обычно учитывают не более трех наиболее характерных фракций. Суммарная мутность воды для п фракций определяется по формуле

.                                                                 (83)

Рис. 40. График для определения средней мутности на вертикали

Гидравлическую крупность наносов определяют по табл. 9.

Таблица 9

3.64. Мутность воды в пределах прибойных зон определяется в первую очередь относительной глубиной h : H и интенсивностью разрушения волн (см. рис. 38). Для приурезовой зоны, прибрежный склон которой сложен из мелкозернистых грунтов, она может находиться в пределах

.                                                         (84)

В зонах более раннего разрушения

,                                                          (85)

где r₀ - средняя мутность воды на подходе к первому разрушению волн.

3.65. Распределение мутности на вертикалях прибрежного склона, сложенного преимущественно из мелкозернистых песков, можно определить с помощью табл. 10.

Таблица 10

3.66. Ввиду многообразия факторов, определяющих интенсивность взмучивания воды в прибрежной зоне, наиболее достоверные сведения о ней можно получить с помощью инженерных изысканий. Для их обобщения и последующей экстраполяции можно построением графиков (рис. 41) по замеренным величинам `r на избранных вертикалях получить эпюры мутности воды по всей ширине прибрежного склона (см. рис. 38) для различной интенсивности волнения.

Рис. 41. График возможных изменений средней мутности воды в зависимости от высот волн заложения прибрежного склона и средней крупности грунта

1 - натура бухты Тавахи m = 50 - 200, d = 0,15; 2 - Сахалин, гравийно-галечниковый склон m » 30; 3 - в местах разрушения волн на склонах m > 50, d = 0,25; 4 - осреднение величины по зарубежным данным; 5 - Анапское побережье в зонах действия вновь образованных волн, d = 0,25

3.67. Расход наносов, транспортируемый той или иной разновидностью течения в пределах прибрежной отмели или перед намечаемыми инженерными сооружениями, можно определить по формуле

,                                                             (86)

где F - площадь живого сечения зоны действия течения.

3.68. Суммарный вдольбереговой расход наносов вдоль прибрежного склона Q, м³/c, ориентировочно можно определить по формуле

.                                    (87)

3.69. Сток наносов, м³, за время t, сут, приближенно можно определить по формуле

.                                   (88)

3.70. Предельную ширину полосы ожидаемой переработки берега при заданном уровне воды в первом приближении можно определить по формуле

Sп = H²/K + H/m_n,                                                      (89)

где Н - глубина размывающего воздействия волн определяется по графику (рис. 42).

Рис. 42. График для определения глубин размывающего действия волн

K = 20m_nm₀/(m_n - m₀),                                                  (90)

где m_n, m₀ определяют по табл. 11.

Таблица 11

3.71. Время, в течение которого ожидается предельная переработка берега, можно определить по формуле

Т_п = 2S_п/u_mах,                                                           (91)

где u_max - максимальная скорость переработки относительно прямолинейного берега, м/год, определяется по формуле

;                                                        (92)

где  - определяется по графику (рис. 43);

Рис. 43. График u_max = f(h, h_б) при высоте берега h_б < 2 м

1 - лесс; 2 - песок мелкозернистый; 3 - песок среднезернистый; 4 - суглинок; 5 - глина; 6 - песок крупнозернистый с валунами

К¢ - коэффициент, зависящий от высоты берега над расчетным уровнем воды, определяют по табл. 12.

Таблица 12

3.72. Для мысов максимальная скорость переработки берега обычно в 1,5-2 раза больше, чем для относительно прямолинейного берега, или

S_п = (0,75-1) u_maxТ_п.                                                     (93)

3.73. Величину ожидаемой переработки берега за заданное число лет Т можно определить по формуле

S_Т = u_maxТ (1-0,5Т/Т_п).                                                  (94)

3.74. Изложенная методика расчета не позволяет учесть всей совокупности местных условий избранного участка водоема. Поэтому при решении ответственных задач целесообразно изыскивать сведения по отступлению бровки берега на начальном этапе заполнения водоема с последующей корректировкой расчетных формул или построения графической взаимосвязи (рис. 44).

Рис. 44. График ожидаемой переработки берега

1 - расчетный; 2 - по материалам изысканий

Гидротермика водоемов

3.75. Водоемам обычно свойственна температурная стратификация воды по глубине. Она зависит от глубины и проточности водоема, ветроволновой активности на его поверхности, климатических условий и других факторов.

3.76. Плотность воды r в зависимости от ее температуры определяется по табл. 13.

Таблица 13

3.77. При наличии волнения происходит нарушение температурной стратификации на глубину, величина которой определяется по формуле

,                                                (95)

где Н_с - толщина слоя ветрового перемешивания; t₁ и t₂ - температуры воды поверхностного и придонного слоев; b - коэффициент объемного расширения воды; `h - высота ветровой волны; `с - фазовая скорость волны.

Правую часть уравнения (95), обозначенную через K₀, можно получить с помощью рис. 45.

Рис. 45. График для определения глубины ветрового перемещения в зависимости от температурной стратификации и параметров ветрового волнения

В местах выхода сосредоточенных течений прибойной зоны в открытый водоем температурная стратификация обычно нарушается на всю глубину воды.

По мере ослабления ветра и волнения температурная стратификация восстанавливается.

3.78. В предледоставные периоды в прибрежных зонах вследствие слабого водообмена между прибойной зоной и открытой акваторией водоема, интенсивной аэрацией потока и других факторов происходит местное переохлаждение воды. При достижении нулевых температур воды местное переохлаждение ее в прибойных зонах (рис. 46) в первом приближении следует определять по формуле

,                          (96)

где K_p - коэффициент, учитывающий дополнительную теплоотдачу при разрушении волн (при 5 £ w £ 20 м/с K_р » 0,5); Dl = l₀ - l₂ - разность между максимальной упругостью водяных паров при температуре поверхности воды (l₀ при t » 0°С равно 6,1 мб) и абсолютной влажностью воздуха на высоте 2 м над поверхностью воды (Dl обычно находится в пределах 2-4 мб);  - температура воздуха на высоте 2 м; w₂ - скорость ветра на высоте 2 м над поверхностью воды; f(Dt) - функция, учитывающая увеличение интенсивности испарения при положительной разности температур ветра-воздуха (табл. 14); Sb_кр - суммарная ширина зон разрушения волн (см. рис. 46); С_р - удельная теплоемкость воды.

Рис. 46. Схема для расчета местного переохлаждения воды в прибойных зонах

Таблица 14

Взаимодействие течений с сооружениями

3.79. В условиях водоемов одним из основных элементов водозабора являются волнозащитные или берегозащитные сооружения.

Конструктивная схема и компоновка берегозащитных сооружений определяется типом водозабора, ожидаемой переработкой берегов и прибрежных склонов в месте его размещения, интенсивностью волнения, ледовых нагрузок и рядом других факторов.

3.80. По сложившейся традиции берегозащитные сооружения используются при любом типе водозабора. При этом корни берегозащитных сооружений размещают за пределами ожидаемой переработки берега, а головы или их лицевую грань обычно выводят за пределы первого разрушения волн.

3.81. Вынос или выход волнозащитных сооружений в процессе последующей переработки берега и прибрежного склона за пределы прибойной зоны независимо от типа водозабора способствует перехвату вдольбереговых течений и их выходу из пределов прибойной зоны в открытый водоем.

3.82. После выхода вдольберегового, а в некоторых случаях и градиентного течения из пределов прибойной зоны их направление и скорость перемещения определяются компоновкой и конструктивными элементами волнозащитных сооружений, направлением и интенсивностью волнения и ветроволновых течений, пологостью прибрежного склона, мутностью транспортируемых масс воды и рядом других факторов (см. рис. 37).

3.83. На водозаборах с самотечными или сифонными водоводами и водоприемниками, вынесенными в открытый водоем (рис. 47), по мере переработки берега и прибрежного склона, независимо от других факторов, интенсивность отклонения вдольбереговых, а затем и градиентных течений волнозащитными сооружениями будет усиливаться. В предельном случае градиентные течения могут выходить в сторону водоема по нормали к поверхности прибрежного склона от места примыкания волнозащитных сооружений к берегу. Этими причинами объясняется имеющее место на ряде водозаборов периодическое увеличение захвата в водоприемники воды с повышенным содержанием продуктов переработки берегов, планктона, водной растительности, появление шуголедовых помех в предледоставные периоды и нарушение температурной стратификации в месте водоотбора.

Рис. 47. Схема возможной картины обтекания вдольбереговыми и градиентными течениями берегозащитных сооружений водозабора с самотечными или сифонными водоводами

1 - фронт гребней волн; 2 - вдольбереговое течение; 3 - волнозащитные сооружения; 4 - насосная станция; 5 - водоприемники; 6 - берег

3.84. На водозаборах с береговыми водоприемниками (рис. 48), устраиваемых на устойчивых берегах и прибрежных склонах, при размещении волнозащитных сооружений, не выходящих за пределы 2Н_кр, вдольбереговые течения обычно обтекают последние непосредственно в месте водоотбора. В этих случаях, независимо от глубин в месте расположения водоприемных устройств, в них будут преимущественно захватываться массы воды, транспортируемые вдольбереговыми течениями в прибойной зоне.

Рис. 48. Схема возможной картины обтекания берегозащитных сооружений водозабора берегового типа

1 - фронт волн; 2 - вдольбереговые течения; 3 - водоприемные окна водозабора; 4 - насосная станция; 5 - берегозащитные сооружения; 6 - берег

3.85. На водозаборах с подводящим каналом, огражденным волнозащитными дамбами (рис. 49), вдольбереговые и градиентные течения, как и в ранее описанных случаях, при косом подходе волн обтекают упомянутые дамбы. В подводящий канал независимо от длины дамб поступают преимущественно массы воды, транспортируемые вдольбереговыми течениями в прибойных зонах.

Рис. 49. Схема возможной картины обтекания вдольбереговыми и градиентными течениями дамб, ограждающих подводящий канал

1 - ограждающие дамбы; 2 - фронт гребней волн; 3 - вдольбереговое течение; 4 - насосная станция; 5 - берег

3.86. Почти аналогичная картина обтекания дамб, ограждающих подводящий канал (рис. 50), наблюдается и при наличии волнолома.

Рис. 50. Схема возможной картины обтекания вдольбереговыми и градиентными течениями дамб и волнолома, ограждающих подводящий канал

1 - подводящий канал; 2 - ограждающие дамбы; 3 - волнолом; 4 - фронт гребней волны; 5 - вдольбереговое течение; 6 - предельная высота наката волн; 7 - насосная станция

3.87. В ряде случаев, когда вдольбереговая миграция наносов незначительна и не ожидается аккумуляция наносов между прилегающим прибрежным склоном и ограждающей волнозащитной дамбой, искривлением ее голов (рис. 51) удается отклонить вдольбереговое и градиентное течения от входа в подводящий канал.

Рис. 51. Схема возможной картины отклонения вдольбереговых и градиентных течений ограждающими дамбами

1 - ограждающие дамбы; 2 - фронт гребней волны; 3 - вдольбереговое течение; 4 - насосная станция; 5 - берег

3.88. При косом подходе волн размещение волнозащитных сооружений на глубинах больших Н > Н_кр, как показывают результаты лабораторных исследований и практика эксплуатации водозаборов, приводит к местному нарушению бытового режима течений и миграции наносов на избранном участке водоема. При этом с увеличением глубин воды в месте размещения волнозащитных сооружений интенсивность аккумуляции наносов на одних участках, а также переработка берега и прибрежного склона на других возрастают.

3.89. Во всех случаях наиболее обоснованным инженерным решением следует считать то, при котором не нарушается или незначительно нарушается сооружениями бытовой режим избранного участка водоема на период эксплуатации водозабора.

3.90. Эффективного отклонения вдольбереговых и градиентных течений от места водоотбора инженерными сооружениями удается достичь только при наличии резкого падения глубины в месте их расположения и незначительной вдольбереговой миграции наносов.

Классификация условий забора воды

3.91. Надежность забора воды заданного расхода и качества определяется в первую очередь местными условиями избранного участка водоема.

3.92. Местные условия избранного участка водоема могут изменяться вследствие последующей переработки берегов и прибрежных склонов, аккумуляции продуктов переработки, строительства инженерных сооружений в пределах прибрежной зоны, усиления биологической активности и других факторов.

3.93. Основными факторами, определяющими условия отбора воды, как показано в пп. 3.79-3.90, являются сосредоточенные течения, периодически появляющиеся в прибрежных зонах водоема.

3.94. Местные условия избранного участка водоема подразделяют на легкие, средние, тяжелые и очень тяжелые.

Основные характеристики этих условий приведены в табл. 15.