Выправление рек

Выправление рек

ВЫПРАВЛЕНИЕ РЕК, специальный метод улучшения судоходных условий рек для получения глубин, отвечающих требованиям судоходства. Вследствие обилия перекатов реки в естественном своем состоянии в меженнее время обычно представляют большие затруднения для судоходства и вызывают необходимость уменьшения осадки судов. Для устранения этого предпринимается выправление рек, называемое так же регулированием реки. В основу выправления реки кладут использование живой силы самого речного потока, который под влиянием искусственных возводимых в русле реки сооружений сам вырабатывает на улучшаемом участке русло требуемой глубины. Кроме углубления желательно также придать реке в плане направление, удобное для движения судов или для подхода их к пристаням. Т. к. большинство перекатов бывает в местах ненормального расширения реки, то новому проектному руслу придавали ширину, меньшую против естественной, т. н. нормальную, которую получали путем расчетов по эмпирическим формулам. В плане новому руслу придавали криволинейное очертание, приноравливаясь к существующим изгибам речного русла, где имеются вполне удобные условия для судоходства. Линии, ограничивающие в плане новое очертание русла, получили название выправительной трасы. Промежутки между линиями трасы и меженними берегами реки заполняли различными выправительными сооружениями: поперечными полузапрудами, служащими для сжатия потока путем закрытия части его живого сечения, или продольными дамбами, направленными по линии трасы с целью не только сжать поток, но и дать ему соответственное направление. Кроме этих двух типов сооружений, при выправлении применялось в широких размерах укрепление берегов в тех местах, где их направление совпадало с направлением трасы, и запружение второстепенных рукавов в целях сосредоточения в главном русле большего расхода воды.

На основании результатов длительной практики выправительных работ германский инженер Шлихтинг в 70-х годах прошлого столетия предложил для образования нового проектного русла применять полузапруды для выпуклых берегов и продольные дамбы для вогнутых (фиг. 1).

Полузапруды для выпуклых берегов и продольные дамбы для вогнутых

По этому методу было выполнено много работ как в 3ападной Европе, так и в России, но не всегда результаты получались удовлетворительные. На Волге заметной пользы выправительные работы для судоходства не принесли. Произошло это потому, что метод выправления был основан на ошибочном предположении, будто речному потоку вообще присуще параллелеструйное движение его частиц и что отсутствие такого движения происходит лишь от неправильностей речного русла. Создавая выправительными сооружениями два параллельных берега и сжимая поток в целях увеличения средних скоростей, надеялись достигнуть правильности течения и увеличения глубин. Но исследования показали, что такое представление о движении речного потока неправильно. Из опытов Макса Мюллера на Везере выяснилось, что на поверхности водного потока существует сходящееся движение водных струй; благодаря этому в фарватерном течении происходит у поверхности накопление водной массы, которое может уравновеситься лишь нисходящим движением водных частиц, вызывающим, в свою очередь, расхождение водных струй у дна реки. Вода поднимается далеко по откосам вплоть до поверхности и потом вновь устремляется к фарватеру. В прямых частях русла каждая водная струя должна представлять не прямую линию, а спираль, горизонтальная проекция которой образует змеевидную линию (фиг. 2).

В прямых частях русла каждая водная струя должна представлять не прямую линию, а спираль, горизонтальная проекция которой образует змеевидную линию

Правильная река, таким образом должна представлять две вращающиеся вокруг своих осей струи, движущиеся друг возле друга вниз по течению. Инженер Лелявский своими тщательными исследованиями на реке Днепре посредством изобретенного им подводного флюгера-указателя направления речных струй окончательно рассеял иллюзии параллелеструйности речного потока и установил, что в руслах рек существуют два течения: одно - верховое, сбойное, сходящееся, которое, спускаясь на фарватере до дна, делает в нем продольные углубления и по своему действию м. б. уподоблено плугу, прорезающему в дне борозду и отваливающему на сторону взрываемый грунт; другое течение - донное, расходящееся, веерообразное, постепенно переходящее от направления сбойного по фарватеру к направлению, почти нормальному к берегам. Действием донного течения грунт, вырытый на фарватере и размытый у вогнутого берега, складывается на пологих отмелях и катится по ним в косых направлениях по поверхности песчаных валиков. В кривых частях русла все поверхностные струи направляются от выпуклого берега к вогнутому, и чем круче поворот последнего, тем быстрее происходит опускание водных частиц из верхних слоев ко дну, тем больше живая сила, приобретаемая этой частицей при движении, и тем больше размыв дна у вогнутого берега. Этой силы, оказывается, достаточно не только для размыва, но и для того, чтобы пронести вымытый грунт по фарватеру, не засоряя его, и сложить его на косы и отлогости выпуклых берегов. С того пункта, с которого вогнутый берег перестает пересекать приливающиеся струи верхового течения, начинается ослабление сбоя воды, сопровождающееся уменьшением глубин на фарватере; затем, по мере отступления берега от общего направления русла, уменьшается угол схождения струй, и, наконец, струи начинают растекаться в разные стороны. На этом месте получается не гладкая продольная вымоина дна, а волнообразная поверхность с постепенно уменьшающимися глубинами; фарватер, как место сходящихся струй, прекращается, и мутное донное течение выходит на поверхность воды. Передвижение наносов происходит порывами и не прямо по течению, а зигзагами в косвенных к гребням песчаных валиков направлениях. Одни валики стираются и заменяются другими, ниже их лежащими, и таким образом совершается поступательное движение наносов, причем и гребень косы, или т. н. свалье, отодвигается вниз по течению. Такова работа реки на перекатах. Описанные исследования касались исключительно меженнего состояния реки, но, само собой разумеется, что главнейшим фактором, формирующим речное русло, являются высокие воды. Поэтому для получения общей картины жизни речного потока необходимо было наблюдаемые в меженнее время явления каким-нибудь образом связать с весенней работой того же потока.

Интересное освещение этого вопроса дал инженер Лохтин. Он устанавливает, прежде всего, что характер каждой реки определяется сочетанием трех основных, друг от друга независимых элементов: 1) многоводности, зависящей от атмосферных и почвенных условий, 2) ската, или крутизны, речной долины, обусловливаемой рельефом пересекаемой рекою местности, и 3) большей или меньшей размываемости или устойчивости ложа реки, соответствующей свойствам прорезаемых ее течением слоев земли. По мнению Лохтина, реки в этом отношении можно разделить на две основные группы: с устойчивым и неустойчивым руслом. Если уклон реки велик, а грунт берегов и дна слабый, то тогда несоразмерно сильное течение воды легко и быстро размоет вставшую на его пути преграду, а потому в такой реке не м. б. устойчивых отдельных перекатов, и русло такой реки будет находиться как бы в динамическом состоянии, т. е. в состоянии постоянной затраты силы течения на размыв русла и на постоянное перенесение наносов в неустойчивом, блуждающем русле реки. Продольный уклон такой реки будет иметь вид линии, близкой к прямой или плавной кривой с ничтожным лишь уклонением от величины среднего уклона. Если, наоборот, грунт ложа реки обладает достаточной устойчивостью и в то же время крутизна реки невелика, то в этом случае сила течения даже при наиболее энергичных высоких водах будет не в состоянии легко справиться с наносами, которые и будут скапливаться во всех тех местах русла, где высокие воды по каким-либо причинам уменьшают свою силу. Так как каждое такое происшедшее при весенних водах отложение наносов после спада воды до меженнего уровня вызывает известный подпор, а с ним вместе и усиленный размыв, то для нарастания каждого из подобных отложений имеется известный предел, вследствие чего продольный профиль такой реки приходит к известному равновесию и устанавливается в характерном ступенчатом виде отдельных плесов, разделенных крутыми скатами перекатов. В реках с устойчивым руслом перекаты обычно долго остаются на одних и тех же пунктах и лишь весьма медленно передвигаются вниз по течению вместе с общим перемещением ложа реки по ее долине; здесь происходит как бы разделение труда между высокими и меженними водами: высокие воды собирают большую часть ската реки на плесы и, поддерживая на них глубину, отлагают наносы в критических для себя пунктах, на перекатах; меженние воды, напротив, концентрируют этот скат на перекатах и выносят с них то, что было оставлено высокими водами. В качестве примера неустойчивой реки можно привести Вислу, а устойчивой - Днестр.

Новые идеи были внесены в методы выпрямления рек инженерами Фаргом, Жирардоном и Лелявским.

Фарг, производивший в большом масштабе работы на реке Гаронне, предложил новый способ очертания трасы на перегибах русла, состоящий в том, что траса дает выпуклое очертание обоим берегам, так что ширина ее меньше, чем на прилегающих к перегибу плесах, причем, как видно из фиг. 3, точки перегиба J1, J2, J2 каждого берега, где вогнутость переходит в выпуклость, должны лежать выше по течению точек противоположного берега, в которых происходит обратный перегиб.

Выправление рек

У нас метод Фарга испытан был инженером Лелявским на реке Припяти у м. Чернобыли, но не дал удовлетворительных результатов. Причина этого, по мнению Лелявского, заключается в том, что слабо выраженные выпуклые очертания обоих берегов, хотя и способствуют отклонению фарватера к середине русла, но не могут обеспечить устойчивого его положения: он будет постоянно передвигаться от одного берега к другому, во-первых - периодически, в зависимости от горизонта воды, а во-вторых, в зависимости от естественных изменений в состоянии русла на соседних участках реки. Идея Жирардона заключается в следующем. Исходя из положения, что перекаты на реках, влекущих наносы, представляют неизбежное явление, он предлагает не уничтожать их, а лишь улучшать. Он разделяет перекаты на два типа - плохие и хорошие (фиг. 4 и 5).

Плохие перекаты реки

 

Хорошие перекаты реки

Не говоря уже о том, что из всех перекатов данной реки перекаты первого типа обыкновенно бывают самыми мелкими, они представляют затруднения для судоходства вследствие крутизны поворота фарватера и большой скорости течения. Перекаты второго типа в большинстве случаев не создают препятствий для судоходства, и течение здесь отличается умеренными скоростями. Наблюдая направление судового хода на хорошем перекате, можно заметить, что, будучи расположен близко к берегу у вершины кривой, он постепенно отклоняется от него и переходит на середину русла в его перегибе. Таким образом судовой ход представляет непрерывную кривую, имеющую наибольшую кривизну в вершине кривой вогнутого берега и наименьшую на перегибе.

Берег не д. б. параллелен судовому ходу, и кривые, его образующие, д. б. таковы, чтобы судовой ход мог от него отходить по мере приближения к перегибу русла. Образованию вогнутого берега лучше всего удовлетворяет продольная дамба, так как благодаря непрерывности действия она способствует благоприятному направлению течения и сохранению глубины около нее. Если бы очертание дамбы в плане было таково, что судовой ход удерживался бы около нее вплоть до перегиба, то переход его к противоположному берегу оказался бы крутым, и русло на перегибе приняло бы форму, близкую к перекатам первого типа. Но так как берег привлекает к себе судовой ход тем ближе, чем больше его кривизна, то очевидно, что для обратной цели необходимо, чтобы кривизна берегов уменьшалась непрерывно от максимума в вершине до нуля на перегибе. Исходя из тех же соображений постепенного ослабления действия дамбы на поток, Жирардон предложил делать гребень дамбы не горизонтальным, а с постепенным продольным уклоном вниз по течению. На выпуклых берегах вообще не следует, по мнению Жирардона, возводить таких сооружений, которые могли бы способствовать размыву русла. Этот берег д. б. трассирован так, как это делается на естественных хороших перекатах, т. е. должен представлять плоский берег со слабым уклоном, дающий возможность течению свободно по нему растекаться. Когда плоский естественный берег обладает достаточным сопротивлением размыву, - он не требует возведения каких-либо сооружений. Если же он легко размываем, то его следует закреплять донными полузапрудами. Расположение этих полузапруд д. б. таково, чтобы они отклоняли струи к судовому ходу. Их уклон д. б. согласован с тем действием, которое они должны оказать на поток: оно д. б. тем сильнее, чем больше желают отдалить от выпуклого берега судовой ход. Полузапруды, расположенные против места наибольшей кривизны вогнутого берега, должны обладать и наибольшим уклоном. Этот уклон в нижележащих полузапрудах должен уменьшаться и быть минимальным на перегибе. Рассматривая поперечные профили хороших перекатов, мы видим, что они имеют форму треугольника, вершина которого совпадает с фарватером (стержнем реки), а основание - с поверхностью воды, причем это основание имеет достаточную для судоходства ширину; стороны - не особенно крутые, но, во всяком случае, откос вогнутого берега круче выпуклого. Этот профиль по мере приближения к перегибу меняется, причем постепенно уравниваются и уклоны сторон; ниже точки перегиба симметричные формы образуются в таком же порядке. На плохих перекатах разница в уклонах сторон выражается гораздо резче, и нет непрерывности изменения профиля при переходе через перегиб. Чтобы руслу плохого переката придать форму хорошего, надо изменить его поперечные профили посредством донных полузапруд, возводимых от обоих берегов. Такие сооружения достигают двух целей: способствуют образованию более благоприятного для судоходства русла и закрепляют сам перекат; сохраняя продольный профиль в ступенчатом виде, они тем самым не допускают в вышерасположенном плесе понижения горизонта, которое является одним из обычных недостатков выравнивания рек путем сжатия потока. Таким образом, по мнению Жирардона , отнюдь не следует сжимать потока, а нужно лишь заставить его идти в ложе такой формы, какую создает сама река на перекатах, имеющих достаточные для судоходства глубины и ширины фарватера. Метод Жирардона у нас не применялся, но по своей идее он заслуживает полного внимания. К числу его недостатков следует отнести некоторую опасность для судоходства продольных дамб с постепенным уклоном гребня по течению. При сравнительно высоких горизонтах в нижней их части образуется сильное течение поперек гребня, которое может увлекать суда за сооружения.

Предложенный Лелявским метод выправления основан на приведенной выше его теории речных течений и формирования речного русла. Из этой теории следует, что в естественном русле сбой и растекание воды расположены неравномерно: в плесах наблюдается сбойное течение, а на перекатах - расходящееся. Отсюда первое положение метода Лелявского: выправление должно способствовать осуществлению по длине реки равномерности распределения этих течений; для этого следует направлять течение посредством рационального устройства берегов таким образом, чтобы в каждом поперечном профиле происходили и сбой и растекание, т. е. для достижения непрерывной глубокой полосы в русле необходимо осуществить на этой полосе фарватерное сходящееся течение и соответственно этому направить речные струи. Второе положение: все сооружения, предназначенные для этой цели, должны иметь характер струенаправляющих. Осуществляя сходящееся течение воды, следует иметь в виду, чтобы оно не достигло предела, после которого может перейти в расходящееся, со всеми неблагоприятными для русла последствиями; поэтому следует довольствоваться созданием сходимости струй на фарватерной полосе русла и не стеснять течения, оставляя его по возможности свободным. Изменяя направление течения струй, следует исключить как объект воздействия ширину русла - третье положение, которое резко отличает этот метод от предложенных другими авторами. Из этого положения вытекает, что глубина и непрерывность фарватера обеспечиваются целесообразным устройством одного ведущего струенаправляющего берега, причем необходимо предоставить воде свободно растекаться в сторону противоположного выпуклого берега.

Выправительный метод, окончательно разработанный инженером Шлихтингом, д. б. назван водостеснительным, потому что в основу его положено ограничение ширины русла, т. е. фиксирование последней непременно с обоих берегов в целях увеличения средней скорости и достижения размыва русла; по методу же Лелявского устраивается лишь один берег и не закрепляется противоположный. Вогнутость берега способствует образованию около него сбоя, но для сохранения сбойного фарватерного течения у такого берега необходимо, чтобы эта вогнутость, или кривизна, была плавная и достаточно развитая, т. к., чем меньше расход воды в русле, тем меньше удар ее и давление на вогнутый берег, а, следовательно, тем легче вода может его оставить и направиться к выпуклому берегу. Только достаточно крутой поворот берега может пересечь слабо прижатые к нему струи, направить их на пересечение с далее текущими струями, заставить струи опуститься ко дну и сохранить сбой струй и глубокий фарватер. Дать точные указания, для определения радиусов кривизны, соответствующих известному состоянию реки, т. е. известному расходу реки и скорости ее течения, Лелявский не находит возможным и рекомендует достаточную кривизну берега искать путем наблюдения над естественными плесами или посредством опытных выправительных работ. Так как на реках с размываемым руслом большая часть перекатов образуется на перегибах русла, то Лелявский уделяет вопросу о выправлении их особое внимание.

Расположение выправительных трассы и сооружений по методу Шлихтинга

Для большей наглядности преимущества своего метода, по сравнению с практиковавшимся ранее водостеснительным, он берет типичный перегиб русла с перевалом от одного берега к другому через мелкую косу и показывает на нем проектную водостеснительную трасу с выполняющими ее сооружениями и свой способ решения той же задачи.

Результаты выправительния реки по методу Шлихтинга

На фиг. 6 показано расположение выправительных трассы и сооружений по методу Шлихтинга, а на фиг. 7. результаты такого выправления реки, причем изображены удлинения полузапруд левого берега для исправления трассы; на фиг. 8 показаны сооружения на том же перекате по методу Лелявского и долженствующие получиться результаты.

Сооружения по методу Лелявского и долженствующие получиться результаты

Сравнение показывает, что метод Шлихтинга не только не обеспечивает достижения требуемых для судоходства глубин, но и влечет за собой постройку лишних сооружений. По вопросу об увеличении глубины на перекате после его выправления Лелявский придерживается взглядов, весьма близких к высказанным Жирардоном, и указывает, что было бы большой ошибкой стремиться к уничтожению существующих перекатов, так как последствием этого было бы понижение горизонта воды на плесах, появление быстрин и новых многочисленных мелей. Перекаты, по его мнению, и после выправления должны играть роль естественных донных запруд, сохраняющих на плесах и тихое спокойное течение, и глубину, и ширину фарватера. Т. о. природа создает на реках с подвижным дном как бы естественное шлюзование.

По методу Лелявского произведены большие выправительные работы на реках Днепре и Припяти, причем в большинстве случаев результаты получались вполне удовлетворительные для судоходства. В частности, предложенный им способ выправления перегиба русла довольно быстро давал достаточную глубину, но следует отметить, что в тех случаях, когда продольные плотины имели большую длину и своими оконечностями сильно вдавались в реку, они способствовали образованию позади них глубокого русла, вследствие чего требовался постоянно крупный ремонт во избежание опрокидывания их в сторону берега.

Все предложенные в позднейшее время различными авторами методы выправления рек обладают одним общим недостатком: давая только основные идеи для решения задачи, они требуют от составителя проекта большого опыта в области речной гидрологии и значительной доли интуиции. Происходит это потому, что речная гидрология до сих пор еще не доведена до степени точной науки и действительное движение потока в подвижном, размываемом русле еще не уложено в точные математические формулы.

Вопрос о стоимости выправительных сооружений еще очень мало освещен, и это в значительной мере зависит от того, что эта стоимость весьма сильно колеблется как для одной и той же реки на разных ее участках, так и для разных рек в зависимости от их гидрологических условий. Если прибавить к этому еще различие типов сооружений, зависящих от чисто местных условий, то становится понятным, что дать какие-нибудь общие цифры, годные для любой реки, совершенно невозможно. Обширный материал по выправительным работам, произведенным на реке Днепре в период с 1882 по 1913 год, дает возможность лишь для этой реки привести некоторые средние цифры, показывающие, какого, примерно, порядка эти величины. Так, стоимость 1 п. км выправления для отдельных улучшенных участков рект Днепра колеблется в следующих размерах: для верхнего Днепра - от 10000 р. до 36000 р., для среднего Днепра - от 36000 р. до 159000 р. и для нижнего Днепра - от 111000 р. до 135000 р. На Рейне на протяжении от Страсбурга до нидерландской границы, если подсчитать расходы на строительство с 1821 по 1899 г., стоимость 1 п. км выправления выразилась в сумме 127000 р.; если же принять расходы лишь с 1880 г., то стоимость понижается до 61000 р.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.