Связь между уровнями воды и габаритами судового хода

В течение навигации уровни воды в реках изменяются под влиянием причин, рассмотренных выше.

Колебания уровня воды вызывают русловые переформирования, в процессе которых отметки дна перекатов повышаются или понижаются. Глубины, ширины и радиусы поворота судового хода зависят от положения уровня воды, от направления его изменения (повышения или понижения) и от отметок дна перекатов. Отметки дна перекатов зависят также и от проводившихся дноуглубительных работ.

Зависимости между уровнями воды и глубинами или отметками дна перекатов характеризуют судоходные качества отдельных рек и результаты дноуглубительных работ. Такие зависимости на Волге еще в 1892 г. начал изучать инж. В. А. Макаров. Результаты этих исследований не потеряли своего значения до настоящего времени.

Макаровым были составлены графики, характеризующие колебания уровней воды и глубин отдельных перекатов Волги между Рыбинском и Казанью, по каждому перекату было выведено уравнение, определяющее глубину переката в зависимости от уровня воды. Для этого служба судоходной обстановки давала сведения о глубинах перекатов.

Данными службы судоходной обстановки пользуются и в настоящее время в процессе планирования, производства и учета результатов дноуглубительных работ. Каждой глубине на перекате соответствует более или менее определенная ширина обставленного хода.

То, что глубины соответствуют разным ширинам судового хода, не является существенным препятствием для анализа русловых переформирований и вывода рассматриваемых зависимостей.

Ввиду того, что с понижением или повышением уровня воды дно перекатов также повышается или понижается (гребень переката намывается или размывается) и большей частью это сопровождается изменением уклона уровня воды, увеличение или уменьшение глубин не равно величине повышения или понижения уровня воды, т. е.

(45)

или в общем виде:

,                                                 (46)

где    h — глубина переката при уровне воды Н;
а — глубина переката при наинизшем уровне воды;
b — коэффициент, показывающий характер изменения глубины в зависимости от положения уровня воды.
Вывод уравнения (45) иллюстрируется рис. 103. По оси ординат (рис. 103, а) отложены ежедневные уровни по водомерному посту; от кривой хода ежедневных уровней вниз отложены глубины.

Рис. 103. Построение кривой h=f(Н)

Полученная таким образом кривая характеризует календарное изменение наивысшей в пределах судового хода отметки дна переката (его гребня). На основании этого графика строят рассматриваемую зависимость, откладывая по оси ординат уровни, а по оси абсцисс — глубины (рис. 103, б). По средним значениям, определяемым полученными точками, проводят прямую линию и для нее выводят уравнение (45). Величина а является абсциссой точки пересечения рассматриваемой прямой с осью х, а b — котангенс угла , составляемого этой прямой с той же осью.

Наклон кривых h=f(H) (рис. 104) характеризует изменения, происходящие в отметках дна перекатов. Когда рассматриваемая кривая составляет с осью абсцисс угол , т. е., когда b=1, наивысшая отметка дна переката (в пределах обставленного хода) и уклон водной поверхности остаются постоянным независимо от уровня воды; в этом случае глубина уменьшается или увеличивается на величину понижения или повышения уровня воды.


Рис. 104. Типовые графики h=f(Н)

Если указанный угол больше 45°, т. е. b <1, та при убыли воды глубина на перекате уменьшается медленнее, чем понижается уровень воды, т. е. на перекате в пределах судового хода происходит размыв русла. Иногда, поскольку для графика использованы данные обстановки, это может обусловливаться не столько размывом русла, сколько перестановкой обстановочных знаков, которая приводит к тому, что судоходством по мере понижения уровня воды используются участки русла с более низкими отметками дна. Если такой график относится к периоду повышения уровня, то при b<1 глубина на перекате увеличивается медленнее, чем повышается уровень воды.

Рассматриваемая зависимость на спаде и на подъеме уровней может быть разной.

В процессе производства землечерпательных работ преимущественно пользуются графиками, составленными для периодов понижения уровня воды.

При b>1, т. е., когда прямая h=f(H) с осью абсцисс составляет угол , меньший 45°, глубина уменьшается на большую величину, чем понижается уровень воды; следовательно, с понижением уровня воды перекат заносится и отметки дна повышаются. Ввиду того, что интенсивность и направление процессов переформирований перекатов с падением уровня могут изменяться, рассматриваемая зависимость иногда представляет собой ломаную линию. В этом случае закономерность происходящих на перекате переформирований выражается несколькими уравнениями прямой линии. На рис. 104 соответствующая этому случаю кривая h=f(H) состоит из двух прямолинейных отрезков. До некоторого уровня, соответствующего случаю, когда , изменение глубины определяется прямой , где b1>1; затем, когда , — прямой , где b2<1.

Рассмотренные выше зависимости h=f(H) относятся к отдельным перекатам. Такие же уравнения, составляемые для плесовых участков реки и обозначаемые T=F(H), определяют зависимость между уровнем воды и наименьшей глубиной плеса. При построении таких кривых берут значения уровней воды по опорному водомерному посту и наименьшие глубины отдельных перекатов, лимитирующих глубины данного плеса.

На положение кривых h=f(H) влияют проведенные на перекате дноуглубительные работы, в результате их кривые h=f(Н) смешаются на ту или иную величину вправо. Кривые T=F(H) также изменяются в процессе углубления отдельных перекатов; однако в сторону увеличения глубин плесовые кривые смещаются меньше, так как транзитная глубина плеса определяется глубинами еще не разработанных перекатов.
Чтобы кривые h=f(H) правильно отражали определяемую ими зависимость, водомерные наблюдения следует производить на перекатах, для которых составляют кривые. Это осуществимо в редких случаях, когда на перекатах есть водомерные посты. Чем больше расстояние между перекатом и водомерным постом, тем сильнее может быть искажена кривая h=f(H).

Все сказанное выше подчеркивает необходимость тщательного анализа водомерных наблюдений, чтобы в каждом отдельном случае иметь достаточно обоснованные выводы о направлении возможных искажений кривых h=f(H) и T=F(H).

Кривые h=f(H), составляемые для отдельных перекатов, определяют глубину по кромкам судового хода. По корыту переката глубины бывают больше на ту или иную величину, причем, чем шире обставленный ход, тем больше разница между этими величинами. Поэтому для целей планирования дноуглубительных работ полезно иметь данные о глубинах не только по кромкам, но и по оси судового хода.

Для ширины обставляемого судового хода также составляют дифференциальные кривые .

Изменение отметок дна отдельных перекатов и плесовых участков характеризуется также кривыми , где z — отметка дна, отсчитываемая от проектного уровня воды. По таким кривым (рис. 105) легко установить размыв дна переката (плеса) при понижении уровня воды. Величина понижения отметки дна определяется по графику путем непосредственного отсчета; так, например, в 1941 г. при падении уровня воды с 3 до 2 м отметка дна понизилась на 80 см.


Рис. 105. График

На реках, где проводят землечерпательные работы с понижением уровня отметки дна перекатов понижаются интенсивнее, чем на реках, находящихся в естественном состоянии. Это объясняется тем, что сосредоточение потока по трассе, разработанной земснарядами, увеличивает интенсивность размыва русла.

Зависимость между уровнями воды и отметками дна перекатов определяется уравнением


,                                    (47)

где    z — отметка дна переката при уровне воды Н:
z0 — то же, при проектном или наинизшем уровне воды;
b — котангенс угла , составляемого прямой с осью абсцисс; величина b, как и раньше, определяет интенсивность и направление переформирований переката.

Если положение дна и поверхностный уклон не меняются, например, на участках с каменистым руслом, тогда z=z0. В этом случае b=0 и рассматриваемая прямая связи параллельна оси ординат. В тех случаях, когда судовой ход с понижением уровня размывается, угол должен быть больше 90° и, следовательно, котангенс этого угла имеет отрицательный знак. При намыве, т. е. при повышении отметок дна, рассматриваемая прямая составляет с осью абсцисс острый угол и b>0.
Когда отложение наносов сменяется размывом дна или, наоборот, намывом, то интенсивность и направление переформирований дна выражаются двумя или несколькими уравнениями, а вместо прямой связи получается ломаная линия.

Для того, чтобы перейти от кривой h=f(H) к кривой , надо из глубин, определяемых абсциссами первой кривой, вычесть соответствующие им превышения уровня воды над нулевым (проектным) уровнем и полученные величины отложить по оси абсцисс (рис. 106). Например, точка А1 кривой получена в результате вычитания из абсциссы точки А разности ординат этой точки и проектного уровня.

В приводимом примере эта величина составляет 1,5 м. Глубины и отметки дна даны по одной шкале — оси абсцисс. Точке А соответствует глубина 1,8 м, а отметка дна относительно проектного уровня— 0,3 м. Зависимости h=f(H); используют не только для характеристики состояния перекатов, но и плесов, составляя графики T=F(H) и Z=(Н).

О результатах землечерпания лучше всего судить по данным, характеризующим состояние судоходной трассы Волги, так как они собраны и систематизированы за период с 1886 года по настоящее время.

На рис. 107, а помещены кривые T=F(H) для участка Волги Горький—Камское Устье. Кривые относятся к двум периодам: с 1886 по 1890 гг., когда землечерпания еще не было, и с 1897 по 1903 гг., в течение которых проводилось организованное землечерпание. Сдвиг кривых последнего периода вправо характеризует достигнутое увеличение транзитных глубин по участку Волги, бывшему в то время наиболее напряженным по грузообороту и наиболее затруднительным для судоходства.

На рис. 107, б для одного из участков Волги приведены плесовые кривые , характеризующие понижение отметок дна в результате проводившихся землечерпательных, работ: а) осередненные кривые, относящиеся к навигациям 1887—1890 гг., когда река находилась в естественном состоянии, б) кривые для периода с 1912 по 1934 гг., когда проводилось организованное землечерпание и в) кривые для навигаций 1942—1944 гг., в течение которых землечерпательные работы проводились в комплексе с регулированием стока.

Осредненные кривые характеризуют результаты проводившихся дноуглубительных работ.


Рис. 106. Зависимость между кривыми h=f(H) и

Для периода 1912—1934 гг. отметки дна понизились по сравнению с естественными на 1,05 м, для 1942—1944 гг. — на 1,50 м. Понижение отметок дна было следствием увеличения глубины разработки перекатов и связанного с этим роста объемов землечерпания. Глубины рассматриваемого участка увеличились на большую величину, чем понизились отметки, так как в результате регулирования стока увеличился расход и повысился меженный уровень воды на 0,2 м. Гарантированная глубина после регулирования стока стала больше на 0,60 м.


Рис. 107. Результаты дноуглубительных работ:
а – по кривым T=F(H); б – по кривым