Взвешенные наносы. Понятие о механизме взвешивания речных наносов

Взвешенными наносами называют совокупность частиц грунта, обычно наиболее мелких (илистых частиц, мелкого песка), которые, оторвавшись от дна под воздействием скорости течения воды, находятся во взвешенном состоянии достаточно длительное время.

На­личие в воде во взвешенном состоянии частиц, обладающих зна­чительно большим удельным весом, чем вода, может быть объяс­нено только существованием сил, которые могут оторвать частицы грунта от дна иберегов русла, поднять в толщу воды изадержать на длительное время их выпадение.

Основным фактором, определяющим возможность отрыва ча­стиц грунта от дна, является подъемная сила, действующая на не­подвижно лежащую частицу и возникающая вследствие несиммет­ричного обтекания потоком лежащей на дне частицы грунта.

Несимметричность обтекания жидкостью частиц, лежащих на дне, проявляется в том, что вследствие очень большого градиента скоростей в придонном слое скорость жидкости над верхней по­верхностью твердой частицы может быть значительной, в то время как снизу частицы она очень мала. Вследствие указанного разли­чия скоростей в соответствии с уравнением Бернулли в зоне больших скоростей возникнут области пониженного давления, а в ме­стах малых скоростей течения давление повышается. Кроме того, на грань частицы грунта, обращенную навстречу течению, будет действовать лобовая сила, а с тыловой стороны, где образуется зона отрыва струй, также возникнет область пониженного дав­ления.

Схема силового воздействия потока на твердую частицу, рас­положенную на дне, показана на рис. 125.

Вихри, возникающие при обтекании потоком различного рода преград, а также выступов дна и берегов и имеющие на своей оси вращения области пониженного давления, захватывают внутрь себя оторванные от дна частицы наносов и поднимают их в толщу потока.

Вихри, возникающиев потоке, выступают не только как меха­низм переноса в потоке твердых частиц, поднятых со дна дейст­вием подъемной силы, но и как фактор отрыва частиц грунта от ложа потока.

во время половодья на поверхности воды воронки, соответствующие именно этим вихревым токам, сопро­вождаются выносом значительного количества поднятых со дна наносов. В местах подъема этих вихрей-воронок вода за счет боль­шого насыщения наносами обычно выделяется более темной окра­ской.

Частицы со дна могут попадать в поток и в результате их срыва с поверхностей песчаных волн в зоне перехода подъема волны на спад непосредственно под влиянием любого дав­ления.

Частица, вовлеченная внутрь потока, движется вниз по течению и, находясь под воздействием переменных по величине и направ­лению пульсационных скоростей, одновременно непрерывно совер­шает вертикальные перемещения, то поднимаясь, то опускаясь. При этом движению частицы вниз способствует сила тяжести. В результате возникает беспорядочный характер движения нано­сов. В процессе вертикального движения частица может опус­каться до дна и оставаться на нем до следующего момента, когда подъемная сила окажется достаточной для ее отрыва.

Следовательно, содержание в потоке взвешенных наносов со­здается в результате более или менее длительного, но всегда вре­менного пребывания в нем отдельных частиц грунта.

Условия взвешивания определяются гидравлическим режимом, от которого зависит воздействие потока на его дно, и составом грунтов дна, т. е. крупностью, формой и удельным весом слагаю­щих его частиц.

Значение подъемной силы у дна, пропорциональное квадрату придонной скорости потока, постоянно колеблется в каждой точке дна в соответствии с пульсацией скорости. В то же время и зерна грунта, слагающие дно, неодинаковы по крупности и требуют для своего отрыва от дна различных значений подъемной силы. В этих условиях возможность перехода частицы во взвешенное состояние определяется совпадением наличия на данном участке дна частицы грунта такого веса, который способна преодолеть подъемная сила, возникающая здесь в данный момент.

Эксперименты показывают, что подъемная сила составляет при­мерно лобовой. Так как гидродинамическое давление при турбулентном обте­кании, как указано, пропорционально квадрату скорости, то лобо­вая и подъемная силы пульсируют еще больше, чем скорость те­чения. Поэтому отрыв частицы от поверхности дна происходит в момент максимума пульсационного давления, когда осредненная скорость течения еще не может определять этот процесс. Турбулентное перемешивание потока, при котором объемы вод­ных масс, переносимых восходящими и нисходящими токами, вза­имно компенсируются, стремится выровнять содержание взвешенных частиц наносов по глубине потока. Однако этому выравнива­нию препятствует сила тяжести частиц, увлекающая их в нижние слои потока. Поэтому состояние равновесия в насыщении потока частицами наносов на некоторой глубине его достигается лишь при неравномерном распределении частиц наносов по глубине, а именно при постепенном увеличении количества частиц по мере прибли­жения ко дну.В этом случае избыточное количество частиц, переносимых вос­ходящими токами из нижерасположенных слоев через мысленно выделенную в толще потока горизонтальную площадку, по сравне­нию с количеством частиц, переносимых через ту же площадку в обратном направлении нисходящими токами, будет компенсиро­ваться постоянным движением частиц наносов вниз под действием силы тяжести. Названное состояние равновесия количества взве­шенных частиц следует рассматривать лишь как результат осред­нения за некоторый отрезок времени, так как в каждый отдельно взятый момент времени это количество будет существенно раз­лично.

Постулирование установившегося процесса переноса твердых взвешенных частиц составляет одно из основных положений теории взвешивания. Введение этого постулата позволяет утверждать, что если в начальном сечении потока имеет место устойчивый в ука­занном смысле режим движения твердых частиц, то этот режим будет сохраняться и на всем дальнейшем протяжении потока. При равномерном установившемся режиме движения русло потока не будет подвергаться ни размыву, ни заилению. При равномерном режиме русло будет заиляться или размываться в зависимости от того, как изменяются скорости течения: если скорости вдоль по­тока уменьшаются, т. е. dυ/dx<0, то будет наблюдаться процесс заиления русла, так как в каждом последующем сечении русла способность потока переносить наносы будет меньше, чем в пред­шествующем; если скорости возрастают, т. е. dυ/dx>0, то будет происходить размыв русла, так как в предшествующих сечениях размывающая способность потока будет меньше, чем в последую­щих.Очевидно, что частички наносов, собственная скорость падения которых в воде под действием силы тяжести больше, чем верти­кальные составляющие скоростей водных масс при турбулентном перемешивании, не могут находиться во взвешенном состоянии в толще потока. Они при известных условиях могут перемещаться лишь путем перекатывания по дну.

Для того чтобы оценить вертикальную составляющую скорости, необходимой для поддержания твердой частицы во взвешенном состоянии, рассмотрим процесс падения частицы в спокойной воде. Частица, опущенная в неподвижную воду, сначала будет падать равноускоренно, но затем, вследствие того, что сила сопротивления возрастает со скоростью, а движущая сила (т. е. сила тяжести) постоянна, должен наступить момент, когда движущая сила и сила сопротивления сравняются и движение станет равномерным. Мо­мент начала равномерного движения для частиц малых размеров наступает очень быстро: для песчинок среднего размера — 2—3 секунды, а для мелкого песка и ила — доли секунды.