При интенсивном развитии гряд образуются мезоформы – неровности, по размерам сравнимые с размерами русла и могущие занимать как его часть, так и всё русло целиком. При падении уровня воды такие отложения могут образовывать полузатопленные или затопленные острова (осерёдки), мели, косы-побочни и т.д. При больших расходах и скоростях течения длины гряд могут достигать порядка ширины русла, а расстояния между ними – нескольких километров.
При бурном потоке со значительной турбулентностью могут формироваться крупные симметричные синусоидальные структуры, находящиеся в фазе с волнами на поверхности потока. При этом частицы с «подветренного» склона вышележащей гряды переносятся на «наветренный» склон нижележащей, и гребни гряд «ползут» вверх по течению. Такие формы называют антидюнами.
Совокупность всех процессов взаимодействия потока и русла называют русловым процессом. В это понятие входит образование и переформирование русла, движение наносов с образованием зон размывов и аккумуляции, смещение русла под действием потока и изменение характеристик потока под действием русла. При любых видах строительства на реках следует тщательно изучить русловой процесс в естественных условиях чтобы избежать нежелательных последствий строительства и предусмотреть мероприятия по их снижению в проектных решениях.
С помощью разработанной в первой половине ХХ века гидроморфологической теории русловых процессов все эти процессы были разделены на несколько типов, и рассмотрена взаимосвязь между ними, а также последствия, к которым приводит то или иное развитие процесса. Для практического применения выведена методика расчёта русловых деформаций, которые будут наблюдаться при том или ином изменении руслоформирующих факторов или режима течения.
1.5 Описать методы инженерных гидрометрических изысканий на водотоках
Гидрометрические инженерные изыскания на водотоках выполняются с целью определения основных гидравлических параметров – скоростей течения, уклонов, шероховатостей, зависимости уровней воды от расходов; площадей, глубин и ширин русла и пойм в зависимости от уровней воды; траекторий движения льдин, струй, судов и караванов. Эти сведения представляют практическую ценность при проектировании переправ через водотоки, организации водного транспорта, проектировании гидротехнических сооружений, планировании водоснабжения и проч. Обычно гидрометрические наблюдения на водотоках и водоёмах совмещают с метеорологическими наблюдениями.
В состав экспедиционных гидрометрических работ входят наблюдения за колебаниями уровней воды, выбор и подготовка гидрометрического створа, измерение уклонов водной поверхности, глубин, скоростей и расходов; наблюдения за направлением движения струй потока и предметов, находящихся в воде. В зависимости от того, какие данные необходимо получить, могут использоваться различные методы изысканий и наблюдений.
Широко распространён такой метод, как измерение уровней. Оборудованное для этих работ место называют водомерным постом. В связи с большой продолжительностью исследований условную плоскость, от которой начинают отсчёт, располагают ниже возможного наинизшего уровня воды, чтобы отсчёты всегда были положительными. Эта плоскость называется нулём графика водомерного поста. Отсчёт снимают дважды в сутки на реках и четырежды в сутки – на морях (в периоды паводков и половодий, а также сгонных и нагонных явлений на море – чаще).
Водомерные посты могут быть постоянными и временными. По конструкции посты подразделяют на простые (реечные, свайные) и передаточные (автоматизированные, неавтоматизированные, с самописцами, с дистанционным управлением и т.п.). Любой водомерный пост оборудуется основными и контрольными реперами, устраиваемыми вне зоны затопления и позволяющими проверять высотное положение измерительных устройств.
Иногда измерительное устройство устанавливают в специальном котловане, соединённом с водоёмом или рекой каналом – для защиты от набегания волн, искажающих показания. Для этой же цели поплавки самописцев размещают в колодце или трубе, соединённых с морем и исключающих воздействие волнового колебания уровня.
Очень часто водомерные посты обустраивают на существующих гидротехнических или транспортных сооружениях – мостах, плотинах, водозаборных станциях, причалах и т.д.
Для определения уклона свободной поверхности воды в реках используют метод устройства выше и ниже основного поста дополнительных, так называемых уклонных постов, расстояние между которыми может составлять 100…8000 метров (в зависимости от требуемой точности измерений) и отсчитывается по линии наибольших глубин. По разности уровней в верхнем и нижнем створах определяется уклон.
По результатам наблюдений на постах составляются таблицы и строятся графики изменения уровней во времени, а также вычисляют различные специфические показатели (кривые повторяемости и обеспеченности, модальный и медианный уровни, высший и низший годовые уровни, уровни ледостава и вскрытия ледяного покрова и т.д.).
Для определения глубин и рельефа дна водных объектов используют метод промеров. По результатам промерных работ составляют планы для водного объекта в изолиниях или изобатах, определяют площади поперечного сечения реки или водоёма и (в последнем случае) рассчитывают объём воды. Также такие работы ведут для нужд судоходства, при проектировании и эксплуатации гидротехнических сооружений, при исправлении береговых линий и защите от водной эрозии.
Измерения глубин проводят в отдельных точках или же непрерывно по профилю дна. Точки промера глубины обычно располагают в выбранном створе; плановое положение привязывают к геодезической сети. Измерения, как правило, производят на больших площадях или протяжённых участках реки, из-за чего сроки таких работ могут быть значительными. Чтобы учесть влияние изменения уровня воды во времени, результаты приводятся к единому мгновенному (так называемому условному) уровню, за который принимают наинизший уровень за период производства промерных работ (для рек) или наинизший теоретически возможный для морей.
Способ измерения глубины может быть механический или акустический. Для первого используются намётки, ручные или механические лоты; поправка к измерениям рассчитывается с помощью угломера – прибора для определения угла наклона троса к поверхности воды; акустические способы основаны на явлении отражения ультразвуковых импульсов от дна реки или водоёма. По разности времени между подачей импульса и приёмом отражённого сигнала рассчитывается глубина; при этом предварительно следует определить температуру и солёность воды для расчёта поправок.
Промерные работы могут вестись по поперечникам, продольникам или «косым галсам» на так называемых промерных вертикалях. Координирование выполняется с помощью геодезического инструмента с берега; либо засечками с судна ориентиров на берегу.
Измерения скоростей течения воды могут выполняться различными способами и приборами. В целом способы измерения течений можно разделить на поплавочные, при которых наблюдение ведут за плавающими на воде предметами (поплавками) и вертушечные, когда скорость определяют в фиксированной точке по давлению потока воды на лопастные винты приборов.
Поплавочные способы дают пространственную картину течений в виде линий тока – траекторий движения поплавков. Вертушечный способ позволяет определить направление и значение вектора скорости в конкретной точке.
Широкое распространение получили свободно плавающие поплавки, подразделяемые на поверхностные и глубинные. Для лучшей видимости на них закрепляются влажки, а внизу крепится на тросе груз для снижения влияния ветра и большей устойчивости. Глубинные поплавки состоят из двух соединённых тросом частей и применяются для определения скорости на заданной глубине.
Для измерения скорости поплавками на берегу разбивается магистраль и 4 створа на нормали к течению, расстояние между ними точно измеряется. Поплавки выпускают по очереди и определяют при похождении створа расстояния до магистрали с помощью геодезического инструмента. Зная время прохождения поплавка от створа до створа находят максимальную скорость, а при замерах на разных расстояниях от магистрали строят эпюру скоростей по ширине реки.
Для измерений вертушечным способом используются специальные гидрометрические вертушки, состоящие из рабочего колеса, корпуса, счётного механизма, флюгера и указателя направления течения (для морских вертушек). Зная число оборотов рабочего колеса за определенное время можно по тарировочным кривым вычислить скорость течения. При этом замеры можно выполнять как точечным, так и интеграционным способом (для вычисления средней скорости по какому-нибудь направлению). Так, для измерений по вертикали ведут замеры в 5 точках – на поверхности, на 0,2; 0,6; 0,8 глубины и у дна. Измерения ведут во всех переломных точках профиля дна, а если расстояние меж ними более 30 метров – то и в промежуточных точках. Время 1 измерения – не менее 100 с, а на горных реках и у дна может достигать 10 мин.