CC BY
134
Г. Л. Гладков,
д-р техн. наук, проф., СПГУВК
РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА В ТРУДАХ К. В. ГРИШАНИНА (К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ)
DEVELOPMENT OF THEORY AND PRACTICE OF RIVERBED PROCESS IN THE WORKS OF K. V. GRISHANIN ( TO THE CENTENARY OF THE BIRTHDAY)
В статье представлены научные результаты работы профессора К. В. Гришанина, способствующие прогрессу речной гидротехники
The article presents scientific research results ofprofessor K.V. Grishanin which contribute to the progress of river hydrotechnics.
Ключевые слова: векторное поле скоростей речного потока, транспорт наносов, русловая деформация, условие ускорения, условие потерь энергии
Key words: vector field of river flow velocities, sediment transport, river bed deformation, condition of acceleration, condition of energy loss
К
ш
218J
ИРИЛЛ ВЛАДИМИРОВИЧ ГРИ-ШАНИН широко известен как в России, так и за рубежом по своим учебникам, фундаментальным монографиям, многочисленным научным статьям, а также по нормативным и руководящим материалам по проектированию и осуществлению выправительных и дноуглубительных работ на судоходных реках. Профессором Гриша-ниным опубликовано 8 учебников и учебных пособий, 3 монографии, 5 книг руководящих технических материалов и более 50 научных статей в отечественных и зарубежных изданиях. Монографии и учебники Гришанина содержат полученные им лично новые научные результаты, способствующие прогрессу речной гидротехники.
Широкую известность у российских и зарубежных специалистов в области речной гидравлики получили фундаментальные монографии К. В. Гришанина: «Устойчивость русел рек и каналов» [1], «Динамика русловых потоков» [2] и «Гидравлическое сопротивление естественных русел» [3]. Среди этих работ выделяется своей энциклопедичностью «Динамика русловых потоков», выдержавшая два издания, в которой изложены основы динамики вязкой несжимаемой жидкости, воп-
росы турбулентности, пространственные и плановые задачи движения русловых потоков, особенности движения влекомых и взвешенных наносов, русловой процесс.
Общие сведения о речном потоке
Во введении к Динамике русловых потоков К. В. Гришанин отмечает, что «речной поток и его русло представляют, возможно, наиболее совершенную из самоуправляющихся систем неорганического мира». Способность руслового потока «управлять шероховатостью своего дна выделяет его из всех течений, известных в Природе и технике». Эти слова, по сути, характеризуют главные научные приоритеты К. В. Гришанина и его отношение к природе водных объектов.
При проектировании путевых мероприятий на судоходных реках, а также при решении практических задач, связанных с обеспечением судоходных условий на реках, необходимо знать и учитывать законы движения воды в речном русле. Эти законы достаточно сложны и до настоящего времени еще недостаточно изучены. Главные особенности речных потоков, сформулированные К. В. Гришаниным, заключаются в следующем.
Прежде всего, нужно учитывать, что движение воды в реках имеет неустановившийся характер. Уровни воды в реке непрерывно изменяются в течение календарного года в связи с изменением величины стока. В результате изменяются кинематическая структура и скоростной режим потока, а также судоходные глубины на перекатах.
Вследствие сложных, неправильных форм русел векторное поле скоростей речного потока неоднородно, при этом линии тока представляют собой сложные пространственные кривые. Схематизируя эту картину, говорят об основном, продольном движении воды и наложенных на него вторичных (поперечных) течениях.
Речные потоки транспортируют во влекомом и взвешенном состоянии большие количества частиц грунта — наносов. Наиболее мелкие частицы, поступающие в реку с поверхности бассейна, имеют размеры порядка нескольких микронов. По дну рек движутся частицы песка, гравия, гальки, а в горных реках и валуны. Объем годового стока взвешенных наносов у больших рек измеряется миллионами и десятками миллионов кубических метров.
И наконец, следует отметить способность речного потока изменять свои твердые границы (длину и форму смоченного периметра, шероховатость дна). Состояние потока — поле его скоростей и поле давления — определяется его твердыми границами. Под действием течения эти границы изменяются. Будучи сложенным из несвязных частиц, русло реки непрерывно деформируется. Изменение геометрии твердых границ приводит к перестройке потока и таким образом осуществляется постоянное взаимодействие между движущейся жидкостью и подстилающей твердой средой. Активную сторону в этом взаимодействии, безусловно, представляет собой речной поток.
Специалисты в области речной гидравлики и практики путевых работ и раньше обращали внимание на эти особенности, характеризующие движение воды в реках с подвижным дном. Однако именно Гришанину удалось во многом систематизировать эти данные и по ряду ключевых вопросов найти теоретическое обоснование их проявлению в реках.
Круг научных интересов профессора К. В. Гришанина был необычайно широк. Однако отдельные проблемы речной гидравлики такие как: оценка устойчивости русел рек, оценка потерь энергии в реках, а также проблема транспорта русловых наносов и русловые деформации, были предметом его научных интересов и особого внимания. Именно этим вопросам Гришанин посвятил свои основные научные публикации. При этом многие теоретические решения были доведены до уровня практического применения, а на их основе были разработаны многочисленные расчетные методики, успешно используемые до настоящего времени в практике проектирования и проведения путевых работ на судоходных реках.
Статистическая устойчивость
естественных русловых потоков
Вопросы обеспечения устойчивости речных деформируемых русел всегда являлись предметом большой заинтересованности у специалистов в области речной гидротехники. При этом устойчивость речного русла в значительной степени связана с условиями функционирования системы «поток — подвижное русло», взаимодействие внутри которой осуществляется по принципу обратной связи. Необходимо, однако, признать, что до настоящего времени проблема устойчивости речных русел не получила строгого теоретического обоснования, и у специалистов пока не выработано единых критериев обеспечения устойчивости руслового потока с подвижным дном. При этом разные авторы затрагивали различные аспекты устойчивости и формулировали для них свои критериальные условия.
Наиболее широкий круг исследований в этой области посвящен вопросам оценки начальной устойчивости частицы несвязного грунта на дне руслового потока. Несмотря на ы
то что универсального решения этой пробле- К
мы до настоящего времени не найдено, физическая природа взаимодействия турбулентно го потока и частицы грунта на дне в момент начала движения по результатам выполненных экспериментов представляется достаточно изученной. На основе многочисленных экспериментальных исследований получены
критерии, позволяющие оценить критические условия сдвига частицы грунта на дне потока.
Другая группа исследований посвящена вопросам переформирования русел рек под действием текущей воды. С точки зрения практических приложений прогноз русловых переформирований оказывается чрезвычайно важным при проектировании инженерных мероприятий на реках. Для оценки интенсивности изменения различных морфологических элементов русла в ходе естественных переформирований К. В. Гришанин предложил понятие временной устойчивости. При этом под устойчивостью в данном случае понимается недеформируемость отдельного участка русла в течение ограниченного периода времени. Это позволило ему сформулировать условия подобия течения на устойчивых участках естественных русел рек.
Применительно к прямолинейным и слабоизогнутым плесовым лощинам равнинных рек Гришанин получил универсальное выражение для локального инварианта подобия в виде М = Н(gB)V4 / £1/2. Это позволило установить однозначную связь между геометрическими размерами речного русла — его шириной В по зеркалу воды и средней глубиной Н — с величиной расхода воды Q в реке.
Данная зависимость является общей аналитической основой всех однозначных кривых расходов, где параметр М является постоянной квазиравномерного движения. Значение этого параметра, полученное по материалам гидрометрических измерений на устойчивых участках рек с мелкозернистыми донными отложениями, незначительно варьирует около своей средней величины М ~ 0.9 при переходе от одной плесовой лощины к другой и не зависит от колебания уровней воды в реке. На ^ участках рек, где соблюдается это равенство, е? можно говорить о соблюдении условия устой-« чивости русел, шероховатость которых со-
"0 здается и регулируется протекающими в них потоками. На этой основе Гришанин разработал рекомендации по определению размеров устойчивых каналов в несвязных грунтах.
В общем случае К. В. Гришаниным были сформулированы три условия статистической
устойчивости естественных речных потоков, которые он назвал соответственно:
— условием скоростей течения и} < и < и2;
- \д и' 0
— условием ускорений ]-а1 » 0;
о д I
д 1
— условием потерь энергии — {I ~ 0,
д го
где и — средняя скорость течения; и} и и 2 — соответственно ее нижний и верхний пределы; Ь — длина участка; I^ — уклон трения.
В соответствии с условием скоростей русловой поток, находящийся в устойчивом состоянии, поддерживает средние скорости течения в достаточно узком диапазоне. При этом нижняя граница скорости течения является критической величиной, при которой частицы донного материала приходят в движение. При достижении верхней границы происходит массовое взвешивание частиц грунта на дне потока. Внутри указанных пределов русловой поток регулирует условия движения воды и характеристики транспорта наносов, используя имеющиеся в его распоряжении степени свободы — изменяя гидравлические и морфо-метрические характеристики потока и русла. Число степеней свободы, в пределах которых осуществляется регулирование характеристик протекания процесса в естественных условиях, может быть достаточно большим.
К ним относятся такие возможности, как сортировка частиц грунта по крупности, включая образование отмостки на дне реки, способность руслового потока изменять параметры микроформ, и соответственно характеристики гидравлического сопротивления и транспорта наносов. Сюда можно отнести также взаимодействие руслового и под рус ло-вого потоков, обмен между транзитными и руслоформирующими наносами, размыв берегов, сезонные деформации перекатов и др. Все это является внешними проявлениями реакции потока на естественные или искусственные изменения условий функционирования системы «поток — подвижное русло».
Условие ускорений заключается в том, что прямолинейные потоки с деформируемым дном оказываются неустойчивыми по отношению к возмущениям с большими длинами волн. Ответная реакция потока на эти возмущения проявляется в образовании мезоформ по длине реки. Таким образом, русловой поток преобразует прямолинейное русло к извилистому, в котором с определенным шагом чередуются перекаты и плесовые лощины. Система переходит от менее устойчивого состояния к более устойчивому. При этом конвективные ускорения по длине реки становятся знакопеременными, в результате чего исключается возможность проявления однонаправленных деформаций на протяженных участках рек.
До настоящего времени в динамике русловых потоков, за исключением отдельных частных решений, нет аппарата для математического описания плановых деформаций русел. Для практических нужд гидроморфологическая теория руслового процесса предлагает систему морфометрических и гид-равлико-морфометрических зависимостей, определяющих условия устойчивости руслового потока на уровнях мезоформ и макроформ при разных типах руслового процесса. Общий критерий типа руслового процесса (по Б. Ф. Снищенко [4]) записывается в виде А =(1 /10 )\В0 /В), где соответственно 10 и В0 — уклон дна речной долины и ее ширина; I и В — уклон реки и ее ширина в меженных бровках. Средние значения параметра А изменяются в пределах от А = 1.97 для рек с русловой многорукавностью до А = 36.6 для свободно меандрирующих речных русел.
Третье выражение представляет собой условие потерь энергии. Оно характеризует слабую изменчивость уклонов свободной поверхности при колебании величины жидкого стока. Русловой поток создает русло с такими размерами и формами, которые приспособлены для пропускания расходов воды в широком диапазоне их изменения. При этом уклоны свободной поверхности и отметки уровней воды при колебаниях расходов воды в реке изменяются в минимальных пределах.
Перечисленные условия устойчивости речных русел были получены на основе мно-
голетнего опыта изучения руслового процесса и гидроморфологии русел рек. При отсутствии антропогенного воздействия они позволяют установить статистически устойчивые характеристики потока и русла на конкретном участке реки, выявить основную направленность и тенденции развития руслового процесса в естественном состоянии речного русла. Для того чтобы понять, как происходят эти изменения в реке и какой механизм для этого используется, необходимо изучать внутреннюю структуру турбулентного взвесенесущего потока.
Преобразования в структуре потока происходят вследствие изменения величины стока воды в реке и в результате сезонных и многолетних русловых переформирований. Они заключаются в перестройке поля скоростей течения по глубине и ширине потока, изменении уклонов свободной поверхности и характеристик турбулентности. Причем все эти изменения явно или опосредованно связаны с параметрами донных волн и условиями транспорта наносов. Значительный объем научных исследований, выполненных под руководством профессора Гришанина, был посвящен изучению характеристик донных гряд в речных руслах.
Гидравлическое сопротивление естественных русел рек
Наибольший интерес с точки зрения возможного практического использования представляют результаты, полученные на основе материалов натурных наблюдений на реках. Здесь прежде всего следует отметить выполненные ранее исследования Б. Ф. Снищенко [5], в которых на основе натурных данных была получена формула коэффициента гидравлического трения в функции параметров донных гряд. Аналогичный подход встречается и у ряда других авторов, проводивших эксперименты в гидравлических лотках. Следует заметить, однако, что величина сопротивления донных гряд в естественных условиях, вследствие более сложного пространственного характера грядового дна, оказывается больше, чем это имеет место в гидравлических лотках.
На основе исследования характеристик внутренней структуры турбулентного по-
тока К. В. Гришанин получил, исходя из теоретических соображений, вывод о том, что линейный масштаб, определяющий порядок продольных расстояний между смежными
крупномасштабными вихрями, равен величине ХВ = к • (с2/g) . С учетом установленного Б. Ф. Снищенко [6] по данным натурных наблюдений на реках и измерений в гидравлических лотках равенства шага цепочки крупномасштабных вихрей длине донных гряд ХВ = 1г формула полного коэффициента
Шези в русле реки с грядовым дном получила
вид с/^ = (1г/к У/2.
Физическое обоснование такой зависимости заключается в том, что основная доля потерь энергии в потоке с грядовым дном сосредоточена в вальцах, образующихся за тыловыми скатами гряд. Количество энергии, теряемой на выделенном отрезке потока, зависит не только от высоты гряд и скорости течения, но и от числа гряд на этом отрезке, т. е. от длины гряд. При этом связь потерь энергии с длиной гряд обратная: потери энергии на выделенном отрезке потока, а значит, и на единице его длины тем больше, чем чаще расположены вальцы, т. е. чем короче гряды.
Экспериментальные измерения в лабораторных лотках и натурные наблюдения на реках показывают, что длина гряд растет со скоростью течения. Это особенно заметно на подъеме весеннего половодья, когда возрастание скоростей течения сопровождается существенным увеличением средней длины гряд. Таким образом, скорость течения оказывает двоякое влияние на потери энергии в реке с грядовым дном: увеличение скорости, с одной стороны, усиливает потери энергии в отдельных вальцах, а с другой — уменьшая число вальцов, способствует снижению потерь энергии. Поэтому связь потерь энергии со скоростью течения в потоке с грядами оказывается более слабой, чем в потоке с безгрядовым дном.
Полученные данные свидетельствуют о том, что при равномерном или близком к равномерному движению воды в реках с песчаными донными отложениями коэффициент Шези является функцией скорости течения.
Этот принципиальный вывод К. В. Гришанин подтвердил по материалам натурных наблюдений на реках. Анализ гидрометрических данных, относящихся к равнинным рекам России с песчаным дном, показал, что между полным коэффициентом Шези и средней скоростью течения в этих реках существует соотношение пропорциональности в виде C ~ и , где т — (1/2) ^ (3/4). Отсюда, с учетом формулы Шези выражение для уклона трения записывается в виде I ^ ~ и 2(1 тК Результаты этих исследований были доведены Гришани-ным до уровня практической реализации в виде расчетных зависимостей для коффици-ента Шези, построенных в функции скорости течения воды.
На ранних этапах исследований автор [7] использовал в качестве аргумента коэффициента Шези величину коэффициента подвижности М. А. Великанова. Это позволило получить расчетную зависимость в виде
= 21(и!Ыоо ) 4, где d50 — медианный диаметр частиц донных отложений. Эта формула позволяет аналитически описать эффект взаимодействия потока и подвижного русла реки с песчаным дном. Однако позднее сам автор признал, что использование параметра и/^а5о в качестве единственного аргумента потерь энергии по длине в реках с грядовым дном является недостаточным.
Анализируя материалы гидрометрических измерений на реках с песчаным руслом [8], К. В. Гришанин установил, что в области значений коэффициента Шези С < 50 м12 /с, которая охватывает большинство равнинных рек России, более 90% потерь энергии по длине обусловлено сопротивлением грядового рельефа дна. Это связано с тем, что в реках с песчаными грунтами доля зернистой шероховатости существенно меньше, чем в реках с гравийно-галечным дном. При этом размеры донных гряд в песчаных руслах рек слабо зависят от изменения крупности донных отложений, а речной поток в этом случае оказывается в состоянии регулировать шероховатость своего дна практически во всем диапазоне изменения величины стока в течение года.
Таким образом, уточняя полученные ранее результаты, Гришанин исключил из формулы для коэффициента Шези диаметр донных частиц, нормировав скорость течения с помощью величины гравитационного ускорения и коэффициента кинематической вязкости воды. Расчетная зависимость в этом случае получила вид сД/g = K(и/tfgv)"2, где V — кинематический коэффициент вязкости воды. В работе [9] существование этой зависимости получает подтверждение по целому ряду измерений на гидрологических постах равнинных рек России. Коэффициент пропорциональности К для использованной выборки исходных данных изменялся в пределах от 2.04 до 2.90.
Впоследствии Гришанину удалось повысить тесноту связи коэффициента Шези в зависимости от скорости течения путем введения дополнительного безразмерного параметра в виде B/H. Расчетная формула для коэффициента Шези была построена на основе анализа материалов гидрометрических наблюдений на семи реках России. Всего было использовано 725 измерений на девяти постоянных гидрометрических створах, что позволило получить по этим данным формулу полного коэффициента Шези в виде
C4s = 5,25 -(и/^УХн/В )16. Коэффициент корреляции ( r = 0.8 ) в этой формуле оказался достаточно высоким для расчетной зависимости, полученной по данным натурных наблюдений на реках.
Это направление исследований под руководством профессора Гришанина получило дальнейшее развитие на кафедре водных путей и водных изысканий, где на основе новых материалов натурных и лабораторных измерений аналогичные взаимосвязи были установлены для других участков равнинных рек [10], где движение воды является неплавно изменяющимся. Анализ выполненных исследований показал, что из числа аргументов, определяющих гидравлическое сопротивление русел рек с песчаными донными отложениями, наиболее приоритетными являются параметры U/tfgV , U/y/gH и H/B. Результаты этих исследований позволили получить
систему зависимостей коэффициента Шези в функции скорости течения и средней глубины потока для различных морфологических элементов русел.
При этом в глубоких плесовых лощинах рек с песчаными донными отложениями, где движение является близким к равномерному, лучшие результаты получаются
C4g~ (и
il/2
. На
по формуле вида с/ ~(и / ^ёУ перекатах рек при низких уровнях воды и в мелких плесовых лощинах в межень влияние глубины потока усиливается, и в этом случае
более тесную связь дает зависимость коэффициента Шези в функции числа Фруда в виде С/-^ ~ (и/^п) . Речные излучины,
включающие перекаты и плесовые лощины, занимают в этом случае промежуточное положение, и для них реализуются оба вида зависимостей.
В дальнейшем база данных натурных наблюдений была дополнена материалами новых измерений на реках с песчаными донными отложениями. На тот момент она включала в себя данные наблюдений по 17 равнинным рекам России с песчаными грунтами объемом около 900 измерений. Это позволило дополнительно исследовать связь коэффициента Шези от скорости течения в зависимости от степени подвижности донных частиц речного аллювия. Анализ имеющихся материалов показал, что в области значений скоростей течения, превышающих величину размывающей скорости, отчетливо прослеживается связь коэффициента Шези с глубиной потока. В результате этого исследования было установлено, что рекам с меньшими глубинами при одной и той же скорости течения отвечают большие значения коэффициента Шези. Причем при малых глубинах связь коэффициента Шези со скоростью оказалась сильнее, чем при больших. На этой основе в работе [11]
была получена расчетная зависимость коэффициента Шези в виде С/^Ц ~ (и/^Ци) 3/4 (/^ё2 ) , где в качестве аргументов ис-
00 о-
о
[щ
пользовались число Фруда и безразмерная глубина потока.
Анализируя полученные результаты, можно отметить следующее.
Разделение полного сопротивления русла на составляющие (зернистая шероховатость дна, грядовое сопротивление и сопротивление формы русла) применительно к потокам с деформируемым руслом является достаточно затруднительным и неточным, так как вклад каждой из составляющих изменяется как по длине реки, так и зависит от времени, а точнее — от фазы гидрологического цикла. Поэтому на реках с мелкозернистыми грунтами донных отложений рекомендуется использовать в расчетах зависимости, построенные на основе установленной связи полного коэффициента Шези от скорости течения. Их применение позволит прогнозировать изменение характеристик гидравлического сопротивления с изменением уровня воды, а также оценить реакцию потока на искусственное изменение геометрии русла в результате реализации проектных мероприятий на участке реки.
Транспорт наносов в речных руслах
Надежность русловых прогнозов, выполняемых при проектировании инженерных мероприятий на реках, определяется, с одной стороны, правильностью оценки физической природы транспорта наносов в естественных русловых потоках, с другой — качеством применяемых численных моделей. Русла большинства судоходных рек России сложены частицами несвязного грунта — песка и гравия. В инженерных расчетах, касающихся движения донных частиц и деформаций дна, наибольшее значение имеют две характеристики частиц: их гидравлическая крупность и неразмывающая скорость. В расчетных рекомендациях приводятся апробированные способы их вычисления в зависимости от диаметра частиц и вязкости воды.
Экспериментальные данные показывают, что расход наносов в реке прямо пропорционален отношению скорости течения воды к неразмывающей скорости в третьей степени, т. е. реализуется зависимость вида ~ (и /и )3. С учетом этих данных, а так-
же в результате обработки материалов наблюдений за деформациями русла и параметрами движения донных гряд на нескольких участках больших равнинных рек России, сложенных средним и мелким песком (при относительной зернистой шероховатости ё/И < 5 ■ 10-4), К. В. Гришанин получил расчетную формулу расхода влекомых наносов в виде ^ = 0.015(и /ин)3ё(и -иД
Значение неразмывающей скорости инр здесь рекомендуется вычислять по формуле В. Н. Гончарова (1938).
Другая расчетная формула была получена К. В. Гришаниным применительно к вычислению полного расхода наносов в реках. Проанализировав данные, полученные другими исследователями, и опираясь на большой объем натурных наблюдений на реках, он предложил простую по своей структуре фор-
—5 3
мулу расхода наносов в виде = 5 • 10 Ни , применимую для подвижных песчаных русел. Возможный диапазон ее использования в расчетной практике ограничивается пределами изменения глубин потока Н в реках от 2.0 до 5.0 метров, а диапазон изменения диаметров частиц донных отложений ё ограничивается песчаной фракцией — от 0,1 до 1,0 мм. В этих условиях при относительно однородных грунтах приведенная расчетная формула дает вполне приемлемые для практических целей результаты вычислений.
Понимая сложность проблемы моделирования транспорта наносов в реках, К. В. Гриша-нин в этом вопросе не ограничивался материалами собственных исследований, а успешно применял в научной работе и в практической деятельности современные результаты отечественных и зарубежных авторов. По результатам теоретического анализа и опытной проверки по натурным данным профессором Гришаниным рекомендованы для использования две группы расчетных формул расхода влекомых наносов на безгрядовом дне. К первой из них отнесены формулы детерминистического типа, такие как: формула А. Шильдса (1936), Э. Мейер-Петера и Р. Мюллера (1948), Л. ван Рейна (1984) и ряд других расчетных формул расхода наносов. Во второй группе
формул представлены вероятностные зависимости, такие как известная формула Эйнштейна (1942, 1950) и формула К. Б. Брауна (1950), полученная для влекомых мелкозернистых наносов. Для вычисления полного расхода рекомендуется применять формулы Р. А. Бэгнольда (1966), Энгелунда (1967) и Графа-Акароглу (1968).
Выполненный анализ результатов исследований по оценке устойчивости частиц неоднородного несвязного материала на дне реки показал, что в общем случае задача моделирования транспорта руслового аллювия под действием текущей воды является достаточно сложной. Вследствие этого до настоящего времени было получено множество различных формул расхода наносов, которые часто не согласуются между собой, и при их использовании дают расхождения в десятки и сотни процентов. Проблема в данном случае заключается в необходимости разработки модели транспорта наносов, адекватно описывающей физические процессы, происходящие на дне реки в ходе русловых переформирований.
Дальнейшие исследования, выполненные под руководством профессора Гришани-на на кафедре водных путей и водных изысканий, позволили получить новые данные и расчетные рекомендации по вопросу моделирования транспорта разнозернистых наносов в реках. В работе [12] была выполнена верификация 30 различных моделей транспорта наносов по натурным данным. Тестирование формул расхода наносов осуществлялось на основе выборки данных натурных измерений, выполненных на 41 гидрометрическом створе по 29 различным рекам ряда бывших республик СССР, России и Германии с различной крупностью донных отложений. Всего на данном этапе выборка исходных данных включала в себя 296 измерений. Гидравлические и морфометрические характеристики в пределах выборки изменялись в достаточно широком диапазоне. Результаты выполненного исследования в общих чертах заключаются в следующем.
На основе проведенного анализа в дальнейшем рекомендуется развивать три основные модели, опирающиеся на исходные
формулы Мейер-Петера и Мюллера (1948), Эйнштейна (1950) и Л. ван Рейна (1984) с учетом их возможной модификации на основе результатов исследований Рибберинка (1987), Б. Зенгена (1991, 1996), В. С. Кнороза (1958) и Г. Л. Гладкова (1996). В таком сочетании указанные модели дают лучшие результаты при их верификации по данным натурных наблюдений на реках в широком диапазоне изменения гидравлических и морфометрических параметров.
Выполненные расчеты показали, что при переходе от расчета по среднему диаметру к пофракционному расчету качество моделирования повышается. Это свидетельствует о том, что используемые рекомендации для учета прр1в-фактора и Иiding-эффекта являются корректными; модели для их учета не противоречат общей методике вычисления и физически обоснованны. При этом результаты вычислений практически не зависят от методики обработки исходных данных — в равной мере могут быть использованы как арифметические средние, так и геометрические средние оценки фракционного состава.
На этой основе были получены обоснованные рекомендации по моделированию транспорта разнозернистых наносов в реках для их использования в расчетной практике.
Наряду с развитием и совершенствованием расчетного обоснования, необходимого для проектирования путевых мероприятий на судоходных реках, профессор Гришанин большое внимание уделял анализу русловых переформирований и изучению физических процессов, происходящих в реках под действием текущей воды. В практике путевых работ наибольшее внимание обращается на состояние судоходных глубин в меженный период времени на перекатах. Поэтому сезонные переформирования перекатных участков рек, их физическое обоснование и прогноз ™
всегда были объектом пристального внима- К
ния автора исследований.
При этом были выделены два основных случая: перекаты, расположенные в ушире-ниях меженного русла, и перекаты, расположенные на участках с практически постоянной шириной. Первый случай наблюдается в меандрирующих руслах, второй — в руслах с
побочневым процессом. Анализируя материалы натурных наблюдений на реках, выполненных в ходе изучения переформирований перекатов на судоходных реках, К. В. Гриша-нин получил объяснение природы протекания этих процессов в речных руслах. Впоследствии эти данные были учтены при разработке рекомендаций по проведению путевых работ на судоходных реках.
Гидравлически допустимые судоходные глубины на реках
При проектировании работ по увеличению гарантированной глубины на судоходном плесе реки необходимо предвидеть, что по мере роста глубин на перекатах в результате дноуглубления могут возникать и прогрессировать местные понижения отметок свободной поверхности. По длине реки снизу вверх снижение уровней воды будет нарастать и приведет к неблагоприятным экологическим последствиям. При перспективном планировании габаритов пути на свободных реках такие изменения должны учитываться. Поэтому в проблеме улучшения судоходных условий важное место занимает вопрос определения максимально возможной судоходной глубины, предельной по гидравлическим условиям потока.
Развитие теории руслового процесса и актуальность вопросов охраны окружающей среды обусловили необходимость создания качественно нового метода расчета предельных судоходных глубин. В основу этого метода положены принципиально новые данные, полученные в результате исследования взаимодействия потока и русла в зоне влияния дноуглубительной прорези, которые заключаются в следующем.
Установленная К. В. Гришаниным за-« висимость коэффициента Шези в функции от | скорости течения свидетельствует о том, что
в реках с подвижными донными отложениями связь между уклонами свободной поверхности и глубинами на перекатах проявляется слабее, чем в руслах с гравийно-галечным дном. Это позволяет получить на реках с подвижным дном относительно большой прирост судоходных глубин без заметного сни-
жения бытовых (меженных) уровней воды. Данный вывод убедительно подтверждается результатами исследований влияния дноуглубительных работ на уровенный режим судоходных рек с различными грунтами донных отложений. Таким образом, новые расчетные зависимости позволили не только выявить физическую природу происходящих процессов в русле реки, но и значительно повысить качество и надежность гидравлических расчетов, выполняемых в ходе оценки влияния проектируемых инженерных мероприятий на гидравлику речного потока.
Специфика морфологического строения естественных русел судоходных рек характеризуется чередованием по длине реки перекатов и плесовых лощин. Этот фактор оказывается благоприятным с точки зрения возможного роста судоходных глубин на перекатах. Снижение уровней воды на перекате, вызванное разработкой дноуглубительной прорези, компенсируется в пределах вышерасположенной плесовой лощины. При этом чем сильнее понижается уровень воды на перекате, тем сравнительно быстрее он восстанавливается в верхней плесовой лощине, а относительно более длинные и менее глубокие плесовые лощины характеризуются более высокой степенью компенсации снижения уровней воды.
На основе экспериментальных и натур -ных материалов исследовалось влияние дноуглубительной прорези на кинематику потока и параметры транспорта наносов на участке ее размещения в однорукавных и разветвленных руслах. Полученные данные позволили изучить степень и характер изменений гидравлических и морфометрических характеристик потока и русла, происходящих вследствие проведения дноуглубительных работ. На основе материалов этих исследований было установлено, что на участке разветвления русла на рукава эффект влияния прорези на гидравлику потока, вследствие перераспределения расхода воды между рукавами, сказывается слабее, чем в однорукавном русле.
Эти научные результаты нашли отражение в виде соответствующих разделов расчетного обоснования в составе разработанной методики расчета гидравлически допустимых судоходных глубин на свободных реках [13].
В рамках данной методики были установлены связи между уклонами свободной поверхности и глубинами на перекатах; оценена компенсирующая роль плесовых лощин при дноуглублении; разработаны схематизированные модели для перекатных сечений и судоходного плеса в целом; учтены морфологические аспекты перекатов при дноуглублении и другие вопросы, необходимые для решения основной задачи.
Основные теоретические положения для построения этой методики, предложенные К. В. Гришаниным, заключаются в следующем.
1. В результате анализа факторов, ограничивающих возможный рост судоходных глубин на плесе, устанавливается, что неблагоприятные экологические последствия дноуглубления обусловлены в основном возможным снижением уровней воды. Поэтому в данной работе в качестве исходного условия при достижении предельных глубин принято требование сохранить в пределах точности измерений существующие проектные уровни путевых работ на судоходном плесе.
2. Наибольшие судоходные глубины, обеспечение которых на плесе возможно без заметного снижения отметок свободной поверхности при проектном уровне путевых работ, называются гидравлически допустимыми. Максимальная величина снижения уровней воды на опорном гидрологическом посту ограничивается точностью существующих способов промеров глубин и принимается равной 0.1 м.
3. Для оценки степени устойчивости русла и способности перекатов к саморазмыву используется параметр К. В. Гришанина М=И^Б)1/4/^/2. По данным натурных наблюдений значения этого параметра на перекатах рек с песчаным дном составляют в межень от 0.75 до 0.40. Причем большее значение параметра М относится к сравнительно устойчивым или слабодеформируемым речным руслам, а меньшее — к сильнодеформируемым.
4. Принимаются во внимание различия законов гидравлического сопротивления в недеформируемых и деформируемых руслах. Для первых используется формула Шези-Маннинга с коэффициентом Шези, опреде-
ляемым относительной зернистой шероховатостью русла (отношением ё/И). Для вторых — коэффициент Шези считается функцией скорости течения.
5. В случае если возникает потребность увеличения глубин больше гидравлически допустимых, необходима постановка специальных изысканий и исследований и составление проекта работ с экономической и природоохранной оценками последствий такого увеличения.
Построенная на основе этих принципов методика прошла успешную апробацию при выполнении гидравлических расчетов для целого ряда судоходных участков равнинных рек России и с учетом своего дальнейшего совершенствования и развития используется в настоящее время в расчетной практике [14] при составлении разделов по оценке воздействия на окружающую среду в инженерных водно-транспортных проектах.
Учебно-методическое и нормативное обеспечение содержания внутренних водных путей
Основные результаты научной и исследовательской деятельности профессора К. В. Гришанина в Ленинградском институте водного транспорта были доведены им до уровня практического применения. Новые научные данные использовались Гришаниным, с одной стороны, в педагогической практике в виде подготовленных им учебников, учебных пособий и учебно-методических материалов. С другой стороны, эти результаты были приняты за основу при разработке новых методов расчетов, опубликованных в составе руководящих и нормативных материалов, которые применяются до настоящего времени при проектировании путевых мероприятий на судоходных реках.
Для многих поколений студентов-гидротехников в институте первое знакомство с основами будущей профессии начиналось с посещения лекций профессора Гришанина и изучения специальных курсов по его учебникам. Для изучения дисциплины «Гидрология и водные изыскания» К. В. Гришанин подготовил и опубликовал в 1982 г. учебник под одноименным названием [15].
В числе наиболее значимых учебных публикаций автора в области динамики русловых потоков следует отметить учебное пособие «Теория руслового процесса» [16], написанное Гришаниным для институтов водного транспорта в 1972 г. Это издание автор позднее переработал, существенно улучшив и дополнив новыми научными результатами, и опубликовал в 1990 г. в виде учебника «Основы динамики русловых потоков» [17].
Свои основные учебные курсы, посвященные изучению дноуглубления, выправления и навигационного оборудования внутренних водных путей, студенты изучают по учебнику «Водные пути» [18], подготовленному совместно с проф. В. В. Дегтяревым и В. М. Селезневым и опубликованному в издательстве «Транспорт» в 1986 г. Этот учебник стал классическим для инженеров-гидротехников, работающих в сфере путевого хозяйства. Он был трижды переиздан — первые два издания в 1964 и 1975 гг. были подготовлены в соавторстве с проф. А. И. Чекреневым, а также этот учебник был переведен на китайский язык.
Профессором К. В. Гришаниным по результатам собственных научных исследований, а также в результате обобщения материалов исследований, выполненных за рубежом, созданы основы расчетного обоснования путевых мероприятий на судоходных
реках. На их основе проектируются дноуглубительные прорези на перекатах судоходных рек, оценивается их устойчивость, определяются гидравлически допустимые судоходные глубины на реках и решаются многие другие задачи с учетом интересов судоходства и требований охраны окружающей природной среды.
Разработанные Гришаниным новые методы расчета вошли в состав целого ряда нормативно-методических материалов. Такие руководящие материалы, как: «Руководство по расчету деформаций русел и прорезей на перекатах судоходных рек» (1965), «Руководство по проектированию коренного улучшения судоходных условий на затруднительных участках свободных рек» (1974), «Руководство по улучшению судоходных условий на свободных реках» (1992), на многие годы стали научной основой проектирования путевых мероприятий на водных путях СССР и России.
Именно природе руслового процесса, изучению его замечательных и во многом еще не понятных нам свойств посвящены все научные труды профессора К. В. Гришани-на.
Свой учебный курс по динамике русловых потоков он заканчивает словами: «Реки — одно из чудес нашей планеты. Мы обязаны передать его своим потомкам неповрежденным».
Список литературы
1. Гришанин К. В. Устойчивость русел рек и каналов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1974. — 144 с.
2. Гришанин К. В. Динамика русловых потоков. — Л.: Гидрометеоиздат, 1979. — 311 с.
3. Гришанин К. В. Гидравлическое сопротивление естественных русел. — СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. — 182 с.
4. Кондратьев Н. Е., Попов И. В., Снищенко Б. Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — 272 с.
5. Снищенко Б. Ф. Скоростной режим потока в судоходной прорези на реке // Труды ЛИВТ.
— 1964. — Вып. 61. — С. 52-63.
6. Снищенко Б. Ф. К расчету длины гряд в открытых потоках // Метеорология и гидрология.
— 1980. — № 2. — С. 89-96.
7. Grishanin K. V. The influence of dredging on water levels and flow velocities in rivers // Bull.
— PIANC, 1981. — Vol. 2. — № 39.
8. Grishanin K. V. Hydraulic resistance of sand beds // Proc. Second Int. Symp. River Sedimentation, Nanjing. — 1983. — P. 234-238.
9. Гришанин К. В. Как ведет себя речной поток? // Метеорология и гидрология. — 1984. — № 9.
— С. 95-100.
10. Гришанин К. В., Гладков Г. Л., Журавлев М. В. Гидравлические сопротивления в подвижных руслах // Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей. — М.: Изд-во АН СССР, 1989. — Т. 2. — С. 87-89.
11. Gladkov G. L. Hydraulic resistance in natural channels with movable bed // Proc. of the Int. Symp. East-West, North-South Enc. on the State-of-the-art in Riv. Eng. Methods and Design Philosophies. St. Petersburg. — 1994. — Vol. 1. — P. 81-91.
12. Gladkow G. L., Sohngen B. Modellirung des Geschiebetransports mit unterschiedlicher Korn-groe in Flussen // Mitteilungsblatt der Bundesanstalt fur Wasserbau. — Karlsruhe, 2000. — Dezember.
— № 82. — S. 123-130.
13. Руководство по улучшению судоходных условий на свободных реках. — СПб.: ЛИВТ, 1992. — 312 с.
14. Гладков Г. Л., Журавлев М. В., Соколов Ю. П. Оценка воздействия на окружающую среду инженерных мероприятий на судоходных реках: учеб. пособие для вузов. — СПб.: Изд-во А. Кар-дакова, 2005. — 241 с.
15. Гришанин К. В., Сорокин Ю. И. Гидрология и водные изыскания. — М.: Транспорт, 1982.
— 216 с.
16. Гришанин К. В. Теория руслового процесса. — М.: Транспорт, 1972. — 215 с.
17. Гришанин К. В. Основы динамики русловых потоков: учебник для институтов водного транспорта. — М.: Транспорт, 1990. — 320 с.
18. Гришанин К. В., Дегтярев В. В., Селезнев В. М. Водные пути: учебник для вузов. — М.: Транспорт, 1986. — 400 с.
