Статья 1. - "Океанология", 1964, т. IV, вып. 6.Руководство по методам исследований и расчетов перемещения наносов и динамики берегов при инженерных изысканиях

РУКОВОДСТВО

ПО МЕТОДАМ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАСЧЕТОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НАНОСОВ И ДИНАМИКИ БЕРЕГОВ ПРИ ИНЖЕНЕРНЫХ ИЗЫСКАНИЯХ

Рекомендовано

Производственным и научно-исследовательским институтом по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Госстроя СССР изыскательским и проектно-изыскательским организациям при работах в береговой зоне морей и в устьях рек СССР

Настоящее Руководство содержит описание процессов, протекающих в береговой зоне, методов исследований этих процессов и методов расчета интенсивности некоторых из них. Излагается состав и порядок выполнения геолого-геоморфологических обследований и съемок, грунтовых съемок, морфо-литодинамических исследований, гидрологических изысканий, промерных и подводных работ, исследований и расчетов перемещения наносов и заносимости каналов. Авторами обобщен опыт многих организаций и использованы новейшие научные достижения в данной области.

Руководство предназначено для специалистов проектно-изыскательских организаций, работающих в береговой зоне морей и в устьях рек, и может быть использовано широким кругом работников смежных специальностей, а также в качестве учебного или справочного пособия преподавателями и студентами соответствующих высших и средних учебных заведений.

Научное редактирование Руководства выполнено канд. геогр. наук М.Н. КОСТЯНИЦЫНЫМ (ПНИИИС Госстроя СССР), канд. техн. наук Л.А. ЛОГАЧЕВЫМ (СоюзморНИИпроект) и д-ром геогр. наук В.П. ЗЕНКОВИЧЕМ (ИГ АН СССР).

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее Руководство является завершающим в серии Руководств, изданных Гидрометеоиздатом в период 1972 — 1975 гг. и направленных на унификацию методов исследований и расчетов при производстве инженерных изысканий в прибрежной зоне морей и в устьях рек.

В 1972 г. издано Руководство по гидрологическим исследованиям в прибрежной зоне морей и в устьях рек при инженерных изысканиях, содержащее методику наблюдений и исследований основных гидрологических элементов: уровня, волнения, течений, льда, гидрохимических элементов, расходов воды и взвешенных наносов, характеристик русловых процессов.

В 1973 г. издано Руководство по расчету элементов гидрологического режима в прибрежной зоне морей и в устьях рек при инженерных изысканиях, которое содержит методы расчета основных гидрологических элементов, включая разработанные в последние годы на основе современных научных представлений о гидрологических процессах в рассматриваемых зонах моря.

В данном Руководстве излагаются методы исследований и расчетов движения наносов и динамики берегов морей, включающие геолого-геоморфологические обследования и съемки, грунтовые съемки, морфо-литодинамические исследования, гидрологические изыскания, промерные и подводные работы, методы исследования и расчетов движения наносов и заносимости каналов.

Руководство подготовлено ПНИИИСом Госстроя СССР, СоюзморНИИпроектом и Институтом географии АН СССР в соответствии с Координационным планом Госстроя СССР по решению важнейших научно-исследовательских проблем в области строительства.

В отличие от первых двух Руководств, которые базировались на многолетнем опыте Гидрометеослужбы и других организаций, данное Руководство является первым опытом унификации методов исследования, включая и расчеты, такой сложной и сравнительно мало изученной проблемы, как динамика берегов и движение наносов. Поэтому руководство не свободно от недостатков, вытекающих из-за недостаточной изученности самого вопроса и его сложности и многогранности, потребовавших участия в составлении Руководства специалистов разного профиля.

Авторы будут весьма благодарны за любые замечания и советы по улучшению содержания Руководства, которые следует направлять в ПНИИИС (научная часть) по адресу: г. Москва, Окружной проезд, 18 или в СоюзморНИИпроект по адресу: г. Москва, Б. Коптевский проезд, 6.

Работа выполнена коллективом авторов в составе: канд. техн. наук Л.А. Логачева, главных специалистов О.С. Шестопала, В.А. Любанского, канд. геогр. наук Л.В. Купче (СоюзморНИИпроект), канд. геогр. наук М.Н. Костяницына (ПНИИИС), д-ра геогр. наук В.П. Зенковича, канд. техн. наук Г.А. Орловой, канд. техн. наук В.Л. Меншикова (ИГАН).

При подготовке руководства к изданию принимали участие: канд. техн. наук Б.А. Попов, инженер В.А. Совершаев (Московский государственный университет), канд. техн. наук Н.Т. Белова (ИГАН) и канд. геогр. наук В.Л. Болдырев (Калининградский государственный университет).

Ценные практические замечания, учтенные при редактировании, получены от д-ра геогр. наук С.Л. Вендрова и главных специалистов Р.Я. Кнапса и Н.Д. Шишова.

ВВЕДЕНИЕ

Береговая зона охватывает смежные полосы суши и морского дна, рельеф и структура которых созданы действием волн и течений при современном уровне моря. В пределах этой зоны осуществляется взаимодействие явлений и процессов, свойственных литосфере, гидросфере, атмосфере и в определенной степени биосфере. Таким образом, процессы развития береговой зоны имеют комплексную природу, и поэтому, изучая закономерности перемещения и аккумуляции наносов и планируя морские инженерные изыскания, необходимо охватывать широкий круг вопросов из области метеорологии, гидрологии, геоморфологии, геологии, гидро- и литодинамики.

В отличие от открытого моря протекающие в береговой зоне процессы имеют нестационарный характер и являются короткопериодичными. Резко изменяющиеся условия в этой зоне и разнообразие действующих в ней факторов во многом затрудняют изучение общих законов ее развития.

Практические потребности прибрежной навигации, морского гидротехнического строительства и других отраслей хозяйственной деятельности издавна требовали тщательного изучения строения и динамики береговой зоны. Эта работа выполнялась и выполняется гидрографическими и проектными организациями различных ведомств, а также учреждениями Гидрометеослужбы. Однако издание соответствующих руководств долгое время было затруднено тем, что теоретические и натурные исследования режима и общей динамики береговой зоны проводились от случая к случаю отдельными специалистами по различным методикам и, как правило, только для своих целей.

Поэтому именно на методическую сторону обращается основное внимание в настоящем Руководстве.

Научно-техническая революция, совершающаяся в последние десятилетия, позволила включить в сферу инженерных изысканий и исследований сложную электронную аппаратуру, новые химические и радиоактивные вещества, вычислительную технику, использование геофизических методов и таких средств, как аэрофотометоды, автономную водолазную технику и многое другое.

Некоторые из этих средств находят применение и в исследованиях наносов, но до сегодняшнего дня сохранили свое значение и прежние упрощенные методы, которые могут быть использованы любой изыскательской партией.

Исследования, позволившие обосновать упомянутые выше общие теоретические установки и освоить применение новых технических средств, были начаты в 40-х годах сначала в Институте географии АН СССР (Черное, Каспийское, Белое моря), а затем, после окончания Великой Отечественной войны (1945 г.), они получили широкое развитие в Институте океанологии АН СССР. Ряд важных исследований после 1970 г. выполнила Лаборатория береговых исследований Института географии.

За последние десятилетия в эту работу включились другие академические и ведомственные организации, в том числе СоюзморНИИпроект и его филиалы.

При исследованиях геоморфологических процессов используются, в частности, результаты гидрологических и литодинамических наблюдений. Такой подход к изучению динамики береговой зоны моря оказался весьма плодотворным и позволил создать целостное учение о развитии береговой зоны на основе впервые установленных закономерностей.

За последнее время необходимость регулирования береговых процессов на наиболее освоенных морях, таких как Черное и Азовское, Балтийское и Каспийское и в ряде областей других побережий, стала государственной проблемой. Изменения в режиме берегов Черного моря за последние десятилетия привели к таким серьезным последствиям, что было принято специальное постановление Совета Министров СССР, в котором обращено большое внимание на борьбу с разрушением черноморских берегов и пляжей.

Динамика береговой зоны моря зависит от совокупного действия многих факторов, учет которых необходим при любом строительстве. Без этого может быть нарушено естественное динамическое равновесие берега и подводного склона, что в конечном счете приводит к большим материальным потерям вследствие ухудшения состояния как береговой зоны, так и расположенных в ее пределах сооружений.

Имеются примеры, когда неудачно выбранное место или неправильная компоновка портов приводили к разрушению полосы пляжей и коренного берега на протяжении десятков километров. В других случаях, на порт может сильно влиять заносимость и даже вывести его из строя. Возведение плотин на реках, прямое изъятие материала с пляжей, а также усиление водопользования благодаря росту городов и развитию сельского хозяйства уменьшают поступление наносов в береговую зону морей, что также влечет за собой разрушение пляжей и потерю ценных территорий побережья.

Все это позволяет ставить вопрос о составлении единых генеральных схем комплексного народнохозяйственного использования морских побережий. Большая роль в таких схемах принадлежит вопросам гидротехнического строительства; его необходимо проектировать и выполнять так, чтобы не причинить вреда берегу. С другой стороны, при освоении побережья проектировщики обязаны заранее предвидеть последствия для берега таких мероприятий, как использование рек, строительство прибрежных дорог и др.

Береговая зона представляет систему, способную к саморегулированию при небольших изменениях внешних условий. В зависимости от колебаний в поступлении наносов, относительных изменений уровня моря, направления ветра, состояния моря и других факторов берега как бы пульсируют. Они могут отступать или выдвигаться; может изменяться толщина слоя донных наносов и их состав, размах миграций прибрежных наносов, а также емкость и нагрузка вдольбереговых потоков. Эти изменения характеризуют режим береговой зоны данного района. Необратимым процессом является только абразия, так как отступивший клиф или углубившийся бенч естественным путем нарастить невозможно.

Динамика береговой зоны как отрасль науки развивалась в основном на материалах изысканий под морские гидротехнические сооружения. Специальные исследования и теоретические обобщения велись научными работниками и изыскателями и ими разработаны многие научные положения (В.Е. Тимонов, П.К. Божич, В.П. Зенкович, А.М. Жданов, О.К. Леонтьев, В.В. Лонгинов, Р.Я. Кнапс и др.). Однако до сих пор ряд установленных закономерностей имеет лишь качественный характер, их можно использовать при проектировании только на основе материала, собранного в данном районе. Это в равной степени относится как к результатам природных наблюдений, так и ко многим теоретическим построениям, выраженным в виде внешне убедительных формул.

Для дальнейшего развития береговой науки необходимо использование и обобщение материалов массовых и длительных наблюдений, в частности, хранящихся в архивах проектных организаций, а также постановка крупномасштабных экспериментов, которые до последнего времени не могли быть выполнены учеными, работающими в научных учреждениях, или изыскательскими подразделениями.

В настоящем Руководстве охарактеризованы основные явления, происходящие в пределах береговой зоны под действием природных факторов. Их изучение ведется различными методами. Главными являются натурные наблюдения и эксперименты. Наиболее ценные материалы получают на основе проведения длительных стационарных или повторных наблюдений на участке предполагаемого строительства. В изыскания должны включаться периоды экстренных условий (особо сильные штормы), поскольку они определяют наиболее интенсивные перестройки береговой зоны. Разовые (единичные) наблюдения и эксперименты также важны, но они не могут достаточно полно характеризовать природу и режим изучаемого участка.

Наблюдения должны охватывать не только участок предполагаемого строительства, но и определенное протяжение берега в обе стороны от него. Если вдоль данного участка берега существует поток наносов, важно изучить процессы, начиная от основного источника питания и вплоть до участка аккумуляции наносов. Методы изысканий и исследований разнообразны. Работу начинают обычно с анализа материалов исследований прошлых лет и изучения топографических и гидрографических карт, желательно разных лет съемки. Сравнение последних может выявить существенные изменения за несколько десятилетий. Съемка на участке и промер глубин на акватории должны быть выполнены заново в нужном масштабе. Промер затем повторяется в различные сезоны, а также до и после шторма или штормового периода.

Характеристику волнового и ледового режима, режима течений и изменений уровня на исследуемом участке получают путем постановки гидрологических наблюдений.

Необходимо также иметь достаточно полную общую характеристику геоморфологических, геологических и литодинамических условий, включая данные о составе и перемещении наносов пляжа и подводного склона.

Большую пользу может принести аэрофотосъемка, подводные наблюдения и некоторые геофизические методы изучения строения дна и пляжевой толщи.

Существенное значение имеет применение методов математического моделирования, включая использование расчетных уравнений и формул.

Многие природные явления и воздействие на них гидротехнических сооружений могут быть, кроме того, промоделированы в волновых лотках и бассейнах.

В Руководстве приводятся положения нормативных документов, имеющие отношение к предмету изысканий. Следовать их указаниям необходимо для полноты и точности освещения поставленных вопросов и сопоставления получаемых результатов как с материалами прошлых и будущих изысканий на данном участке, так и полученных в других районах.

Ни этим, ни каким-либо другим Руководством невозможно предусмотреть все специфические особенности изучаемого объекта. Слишком разнообразны для этого природные условия, влияние местных факторов и их различных сочетаний. Поэтому руководитель изысканий всегда должен проявлять на месте собственную инициативу в постановке и последовательности работ, в выборе и необходимом видоизменении методов исследований и анализе их результатов.

Глава I. ХАРАКТЕРИСТИКА БЕРЕГОВОЙ ЗОНЫ И ПРОЦЕССОВ ЕЕ РАЗВИТИЯ

§ 1. Основные понятия и определения

1.1. Верхний слой грунта в береговой зоне находится под частым и длительным воздействием движущейся воды. Это приводит к разрушению горных пород, к перемещению и истиранию обломочного материала, слагающего пляж и подводный береговой склон. В результате происходят деформации дна и пляжевой полосы, а также подмыв и разрушение береговых обрывов.

Различают два вида этих изменений: размыв (абразия) и намыв (аккумуляция): первый приводит к увеличению глубин в береговой зоне и отступанию берега, второй — к уменьшению глубин и выдвижению береговой линии. Многие участки современных морских берегов находятся в состоянии динамического равновесия, при котором подводный склон и береговая линия существенно не изменяются под действием факторов динамики береговой зоны, несмотря на попеременное перемещение обломочного материала как по нормали к берегу, так и вдоль него (транзит).

Рыхлые грунты, приводимые в движение волнами и течением, получили общее название наносов, а лежащие на дне неподвижно в течение длительного периода со времени их образования — донных отложений.

Подводный береговой склон может быть также сложен коренной породой, валунами и глыбами, которые даже при сильных волновых воздействиях в большинстве случаев остаются неподвижными.

В некоторых морях, например Черном (северо-западная часть) и Каспийском, донные отложения могут цементироваться известью (литификация) и образовывать твердые корки. Такой грунт тоже нужно описывать как коренной каменистый, хотя он и создан в процессе аккумуляции наносов.

Локальные скопления наносов, образующие положительные элементы рельефа дна или выступы берега на каком-либо участке, называются аккумулятивными формами. Процесс накопления наносов в морских каналах, на акваториях портов, в пазухах оградительных сооружений называется заносимостью.

1.2. Интенсивность береговых процессов зависит от устойчивости горных пород берега и дна и от интенсивности проявления берегоформирующих факторов. В береговой зоне происходят вековые изменения, достигающие большого масштаба, а также временные изменения, часто повторяющиеся — режимные. Последние связаны в основном с перемещением наносов.

Режим перемещения наносов часто является одним из основных факторов, определяющих выбор места, ориентировки, а иногда и типа гидротехнического сооружения. В свою очередь возводимые гидротехнические сооружения, нарушая естественный режим береговой зоны и прилегающей акватории, могут изменять естественные условия перемещения наносов, нарушая тем самым установившийся естественный ход литодинамических процессов на большом участке берега.

1.3. В самых общих чертах участки морского берега и подводного склона, а также рельеф и очертания береговой зоны могут быть подразделены следующим образом:

1. по составу пород: прочные коренные, слабо сцементированные, рыхлые (состоящие из обломочного, иногда глинистого материала);

2. по очертаниям и степени расчленения береговой линии (рис. 1): ровные, бухтовые открытые (волны с моря доходят до вершин бухт или вогнутостей), бухтовые закрытые (волны не доходят до вершин бухт из-за их извилистости или большой длины) и островные (острова защищают частично или полностью берег от воздействия волн);

3. по уклону и характеру надводного профиля берегового склона: обрывистые, откосные, низменные. Важным элементом профиля берегов любого типа является накопление наносов в зоне наката волн, называемое пляжем. У коренных берегов он может отсутствовать;

4. по уклону дна: приглубые (уклон 0,03 и более), отмелые (уклон 0,01 и менее). Указанные градации связаны с различиями в механизме разрушения волн;

5. по типу развития: абразионные (море срезало полосу коренной суши, образовав обрыв различной высоты), аккумулятивные простые (море нарастило берег, образовав плоскую поверхность из наносов), аккумулятивные лагунные. Вдоль последних тянется полоса наносов — береговой бар, между которой и, собственно, берегом остается полностью или частично отчлененная от моря акватория (лагуна);

6. по преобладающему современному процессу: разрушаемые (абразионные), стабильные, нарастающие (аккумулятивные).

Рис. 1. Очертания берегов (а) и типы профилей береговой зоны (б):

1 — ровные, 2 — бухтовые открытые, 3 — бухтовые закрытые, 4 — островные, 5 — обрывистые, 6 — откосные, 7 — низменные, 8 — приглубые, 9 — отмелые, 10 — абразионные, 11 — аккумулятивный простой, 12 — лагунный; А — лагуна, Б — береговой бар

По различным сочетаниям указанных черт в геоморфологии разработана подробная классификация типов берегов [47, 48].

1.4. Формы рельефа береговой зоны в их развитии являются предметом изучения геоморфологии. Они эволюционируют с различной скоростью под воздействием волн, течений, льда, ветра, колебаний уровня моря и других факторов динамики береговой зоны.

При описаниях морских берегов и форм рельефа принята следующая терминология:

побережье — приморская полоса суши, сохранившая формы рельефа и следы воздействия моря, созданные при его уровнях, более высоких, чем современный;

берег — полоса суши, формы рельефа которой сформированы или изменены морем при его современном среднем уровне, при этом:

на абразионных (разрушаемых морем) коренных берегах их граница со стороны суши проходит по бровке клифа (абразионного обрыва), а внешняя граница со стороны моря является береговой линией;

на аккумулятивных берегах внутренняя граница проходит по краю современной надводной террасы;

подводный береговой склон — прибрежная полоса морского дна, подвергающаяся изменениям под воздействием волн.

Различают следующие зоны в пределах подводного берегового склона:

зона деформации волн на пространстве от условной линии начала изменения их параметров под влиянием недостаточных глубин до первого забурунивания;

зона забурунивания волн простирается от линии первого (со стороны моря) забурунивания до их окончательного разрушения. (У отмелых песчаных берегов она может достигать во время сильных штормов ширины более 1 км);

зона наката расположена между линиями окончательного разрушения волн и максимального наката прибойного потока на пляж (берег) или до взброса на контакте с препятствием;

зоны забурунивания и наката вместе называют зоной разрушения волн.

Границы и ширина перечисленных зон изменчивы и зависят от параметров волн;

береговая зона — совокупность берега и подводного берегового склона (рис. 2);

урез — линия пересечения спокойной водной поверхности с сушей при данном уровне моря;

береговая линия — осредненное положение уреза за длительный промежуток времени, а на приливных морях — среднемноголетнее положение линии высоких приливов;

пляж — накопление наносов в полосе действия наката, захватывающее приурезовую часть берега и подводного склона. На надводной полосе пляжа обычно образованы береговые валы, отмечающие границы наката волн при штормах различной силы;

клиф — обрыв морского берега, находящийся под активным воздействием штормового наката; отмерший клиф — обрыв, вышедший из пределов досягаемости штормовым накатом в результате расширения пляжа, образования морской террасы или векового понижения уровня моря;

осушка — в приливных морях зона между линиями сизигийных приливов и отливов (ее аналогом в неприливных морях является зона сгонно-нагонных колебаний);

бенч — слегка наклонная поверхность, вырезанная морем в коренных породах. Она может примыкать к подножью клифа или обнажаться на дне. Надводный и подводный бенч может быть погребен (временно или постоянно) под слоем наносов;

береговой бар (рис. 1) - длинная песчаная или галечная аккумулятивная полоса суши (в десятки и сотни метров шириной), отделенная от коренного берега пространством лагуны;

подводные валы — донные аккумулятивные формы из песка или гравия в зоне забурунивания волн, иногда сериями до 4 — 5 шт.; положение их не постоянно при разных гидродинамических условиях;

подводная гряда — подвижное, поперечное относительно берега удлиненное повышение дна, образованное наносами;

рифели (или знаки ряби) — система валиков, образованная волнами и течением по нормали к движению воды; асимметричные подвижные рифели и гряды представляют собой одну из форм перемещения наносов;

ложбина — понижение дна между валами или грядами.

Рис. 2. Схема элементов рельефа береговой зоны:

а — абразионный берег, б — аккумулятивный берег; 1 — пляж, 2 — береговой вал, 3 — клиф, 4 — волноприбойная ниша, 5 — береговая дюна (авандюна), 6 — поднятые террасы, 7 — погруженные террасы, 8 — эоловые бугры, 9 — приурезовая ложбина, 10 — подводные песчаные валы, 11 — глыбовый бенч

Деформация волн в пределах подводного берегового склона происходит различно в зависимости от уклона дна. На приглубых берегах (уклоны более 0,03) волна разрушается на отрезке, меньшем ее длины, и вкатывается затем на берег в виде прибойного потока. На берегах отмелых (уклоны менее 0,01) зона деформации растягивается на километр и более. Принято различать зоны деформации и разрушения волн, границы которых зависят от параметров данного волнения в открытом море.

Зона деформации волн подразделяется на следующие части:

Зона трансформации волн от глубин, где начинается воздействие мелководья на форму волны до первого их забурунивания на критической глубине Hкр.

Зона разрушения — от критической глубины до последнего опрокидывания волн на глубине Hобр.

Зона наката (прибойная) — от глубин Hобр до уреза. На ней прибойный поток, уже потерявший форму волнового движения, вкатывается на пляж, а затем сливается под влиянием силы тяжести к подножью следующей волны. У берегов, лишенных пляжа и площадки бенча, эта зона может отсутствовать или быть очень узкой.

1.5. Некоторые геоморфологические процессы в береговой зоне определяются кроме волнения также действием течений, которые подразделяются на:

волновые, образуемые в результате незамкнутости орбит волновых колебаний воды; ветровые (дрейфовые), возбуждаемые ветром при воздействии его на водную поверхность;

энергетические вдольбереговые, возникающие при трансформации волн, подходящих к берегу под острым углом, а также в результате неравномерности высот волн и волнового нагона вдоль берега;

компенсационные, как следствие образования гидростатического градиента, проявляются или в виде противотечений, или в виде разрывных течений. Появление последних приурочивается к местам встречи двух разнонаправленных вдольбереговых потоков (вогнутости) или к выступам береговой линии, способствующим местному накоплению воды.

Кроме перечисленных в береговой зоне могут проявляться также сильные морские течения другого происхождения, в том числе приливо-отливные.

1.6. В зависимости от характера передвижения в поступательном и волновом потоке наносы разделяются на три вида: донные, полувзвешенные и взвешенные.

К донным относятся наносы, перекатываемые или влекомые по дну при комбинированном воздействии течений совместно с придонными волновыми движениями воды возвратно-поступательного характера. При волнении характер движения наносов может быть прерывистым или возвратно-поступательным; течение без волнения может вызвать только поступательное движение наносов. При подходе волн по нормали к берегу и при отсутствии вдольбереговых течений возвратно-поступательные движения могут совершаться на данном участке без перемещения наносов (таким образом, термины «движение» и «перемещение» не равнозначны).

Перемещение донных наносов может происходить тонким слоем без образования каких-либо форм микрорельефа поверхности дна (гладкая фаза). Донные (и полувзвешенные) наносы могут также перемещаться в форме движущихся рябей (рифелей), гряд, валов или более крупных аккумулятивных образований.

Движение полувзвешенных наносов совершается в непосредственной близости от дна под влиянием волнения и течения скачкообразно — сальтацией. К полувзвешенным, строго говоря, нужно относить наносы той крупности, которые взмывают облаком в толщу воды под проходящим гребнем волны и успевают осаждаться на данном участке до подхода следующего гребня. Взвешенные наносы не успевают опуститься на дно за такой короткий срок и поэтому переносятся в направлении общего тока воды. Как следует из данного определения, крупность полувзвешенных и взвешенных наносов изменчива. Она зависит от высоты и периода волны, от скорости течения, а также от глубины данной зоны дна.

Взвешенные наносы представляют собой массу грунта, находящуюся в воде во взвешенном состоянии. Степень насыщения воды взвешенными наносами определяется терминами концентрация или мутность и выражается в граммах на 1 м3 воды (г/м3).

В гидромеханике вода с наносами рассматривается как неразрывная масса. При изучении вертикального распределения мутности в потоке целесообразно выделять как самостоятельный самый нижний слой воды, находящийся в непосредственной близости от дна, насыщенный взвешенными и полувзвешенными наносами, называемый придонным. Мутность его резко возрастает по сравнению с остальными слоями. Выделение этого слоя диктуется необходимостью применять отличные от других способы расчета его мутности.

Расход наносов измеряется в килограммах на 1 пог. м фронта перемещения за единицу времени (кг/м·с).

1.7. По отношению к генеральному направлению берега различают перемещение песчаных и галечных наносов поперечное и продольное. Первое направление — от моря к берегу или обратно, второе, называемое также вдольбереговым, — вдоль берега.

Под действием переменной гидрометеорологической обстановки вдольбереговые подвижки наносов могут менять свое направление на обратное в течение ограниченного промежутка времени. Такие перемещения наносов в противоположных направлениях определяются термином миграций. Принято говорить о «размахе» миграций за данный промежуток времени. Суммарный эффект (алгебраическая сумма противоположных направлений) миграций, т.е. массовое перемещение наносов в одном направлении в течение заданного промежутка времени (обычно за год), называется вдольбереговым потоком наносов. (В некоторых работах [55] термин «поток» применяется как синоним единичной «подвижки» за время шторма одного направления.)

Параметры потока меняются в зависимости от параметров волнения, течения, крупности наносов, крутизны подводного склона и экспозиции различных отрезков береговой линии по отношению к равнодействующей волнения. В конечном счете, работа потока приводит к уходу наносов из области питания и к аккумуляции их в виде локализованных очагов в других местах.

Максимально возможный объем (или вес) транспортируемых в потоке наносов за единицу времени при данных гидрологических условиях называется емкостью потока или его несущей способностью, а фактическое содержание наносов — твердым расходом или мощностью потока. Отношение твердого расхода потока к его емкости характеризует насыщенность потока. Объем наносов, прошедший через все живое сечение в пределах береговой зоны за длительный период (обычно за год) в одном направлении вдоль берега, характеризует годовую мощность (нагрузку) потока наносов. При равенстве твердого расхода и емкости достигается полная насыщенность.

1.8. По крупности (размеру частиц) наносы делятся на фракции. Процентное содержание различных фракций в пробе определяет ее механический (гранулометрический) состав. Приводим рекомендуемую таблицу для подразделения фракций наносов (табл. 1).

Таблица 1

Наименования и диаметры частиц различных фракций наносов

Примечание. Неокатанные обломки диаметром более 1 м называются глыбами, 10 — 100 см — камнями, 1 — 10 см — щебнем, менее 1 см — дресвой.

В инженерной геологии применяется несколько отличная система разделения грунтов по фракциям: к категории валунов относятся частицы диаметром более 200 мм, галька — от 200 до 20 мм, гравий — от 20 до 2 мм, песок — от 2 до 0,05 мм, пылеватые частицы — от 0,05 — 0,005 мм [87].

Природная весовая влажность грунта W определяется в долях единицы или в процентах, как отношение веса искусственно выпаренной из образца воды к весу образца. Имеют особое значение при анализе грунтов влажность при текучести грунта Wт и влажность при его раскатывании в шнур Wр. Разность между ними называется числом пластичности: Wп = Wт — Wр.

У всех грунтов, кроме скальных, есть общее название — нескальные или рыхлые. Они подразделяются на крупнообломочные, содержащие более 50% частиц с размерами более 2 мм, песчаные — при размере преобладающих частиц от 0,1 до 2 мм и глинистые, у которых число пластичности Wп >= 1. Глинистые грунты подразделяются на:

супеси при числе пластичности 1 < Wп <= 7

суглинки при числе пластичности 7 < Wп <= 17

глины при числе пластичности Wп > 17.

Песок называется:

    гравелистым, если вес частиц крупнее 2    мм составляет более 25%
    крупным,          "         "        0,5  мм составляет более 50%
    средним           "         "        0,25 мм составляет более 50%
    мелким            "         "        0,1  мм составляет более 75%
    пылеватым         "         "        0,1  мм составляет менее 75%.

Песчаные грунты в зависимости от коэффициента пористости \epsilon — отношения объема пор к объему минеральной части грунта — подразделяются по плотности в соответствии с табл. 2.

Таблица 2

Разновидность песков

Илами называются глинистые грунты, находящиеся в стадии своего формирования в воде, при наличии микробиологических процессов (органических примесей), при коэффициентах пористости \epsilon>1 для супесей и суглинков и \epsilon>1,5 для глин и обладающие влажностью W > Wт, превышающей влажность на границе текучести. Если грунт содержит песчаные и илистые частицы и не раскатывается в 3-миллиметровый шнур, т.е. лишен пластичности, то его называют илистым песком, а если раскатывается, что обычно бывает при содержании песчаных частиц менее 50%, то его называют песчанистым илом. В зависимости от числа пластичности илы бывают супесчанистыми, суглинистыми и глинистыми.

Рекомендуется выделять в особые группы ракушу и битую ракушу.

Для решения некоторых задач (главным образом для установления источников питания), кроме механического состава наносов, определяют также петрографический (для камней) и минералогический (для песка) состав. Результаты этих анализов показывают, обломками каких пород они являются и какие минералы или химические компоненты их слагают. Для этого определяются и подсчитываются проценты компонентов (частиц разных пород, видов минеральных зерен, органических остатков или иных твердых частиц).

§ 2. Процессы перемещения наносов

2.1. Движение наносов в морских условиях существенно отличается от более привычных процессов, свойственных речным руслам. Для рек термины «движение» и «перемещение» однозначны. В море наносы могут находиться в движении и, совершая возвратно-поступательные колебания, оставаться на том же месте, т.е. никуда не перемещаться. Это происходит в вершинах бухт, а у ровных берегов — при подходе волн по нормали. Поэтому в термины движение и перемещение вкладывается различный смысл. В общем случае, как указывалось выше, волны определяют два вида перемещения наносов — поперечное и вдольбереговое.

2.2. В процессе деформации волн в береговой зоне, у дна возникают возвратно-поступательные движения воды: под гребнем волны в сторону берега, под ложбиной — в сторону моря. Движения эти всегда асимметричны по скорости и длительности, и чем меньше глубина воды, тем резче выражена асимметрия. После окончательного разрушения волн формируется прибойный поток (накат) к берегу, а затем — обратный. Вместе они обладают асимметрией в наибольшей степени. Поскольку часть воды наката впитывается в толщу наносов, обратный отток является более слабым (рис. 3).

Рис. 3. Схема деформаций волны в береговой зоне (стрелками обозначено движение воды)

Вблизи морской границы береговой зоны (а) орбитальные скорости волнения почти симметрично направлены к берегу V' и к морю V» (рис. 4). Чем меньше глубина по направлению к урезу (б), тем резче проявляется асимметрия орбитальных скоростей: наибольшая скорость к берегу V'm значительно превышает скорость к морю V«m, а время движения к берегу меньше времени движения к морю. Частицы приходят в движение, когда максимальная скорость Vm больше начальной V0.»

Рис. 4. Движение по профилю подводного склона частиц наноса различной крупности при равномерном уклоне дна по теории П. Корналья и В.П. Зенковича:

а — вблизи морской границы береговой зоны, б — на малых глубинах, 1 — в море, 2 — к берегу; a1 — движение мелких частиц, a2 и a3 — движение средних частиц, a4 — движение крупных частиц, N2, N3 — положение нейтральной линии

При наличии определенного уклона дна под влиянием силы тяжести начальная скорость к берегу V'0 должна превышать начальную скорость движения к морю V«0 (V'0 > V0 > V»0). Путь, пройденный частицей к берегу, пропорционален площади abc, а к морю — def. Если волновая орбита симметрична, то def больше abc, и частица должна перемещаться в море. При равенстве def и abc частица останется на месте, как и в том случае, когда наибольшие орбитальные скорости меньше начальной (Vm < V0).

В действительности, на мелководье эпюра орбитальных скоростей асимметрична (б). Если частица 1 меньше частицы 2, то и начальная скорость первой из них V1 меньше начальной скорости второй V2. Путь меньшей частицы к берегу пропорционален площади abc и к морю def, а большей частицы площадям hbg и nek. Соотношение этих площадей может быть разнообразным. Возможен случай, когда V«2 > V»m, а V'2 < V'm, тогда частица будет двигаться только к берегу. Если def > abc, а nek < hbg, то мелкие частицы будут перемещаться в море, а крупные к берегу. У достаточно мелких частиц def всегда больше abc, и они перемещаются только в море. Возможны случаи, когда def равно abc или nek равно hbg, тогда частица будет колебаться вверх и вниз по уклону вокруг некоторого среднего положения. Такое ее положение называется нейтральным, а линия, соединяющая нейтральное положение частиц данного размера при данных волнении и уклоне, называется нейтральной (N).

При одном и том же уклоне самые мелкие частицы будут перемещаться только вниз (a₁), средние — вверх и вниз (a₂ и a₃), самые крупные — только вверх (a4). Если при этом Vm >= 5V0, то частица может оторваться от дна и переходит во взвешенное состояние (a2).

Если весь подводный склон состоит из толщи наносов, то его профиль устанавливается в зависимости от крупности последних и параметров штормовых волн. Дело в том, что крупные и мелкие частицы перемещаются в поперечном направлении на подводном склоне с различной скоростью, а в некоторых фазах шторма даже в противоположных направлениях.

В результате создается профиль равновесия подводного склона и пляжа, на котором наносы каждой крупности занимают свою «нейтральную» зону (рис. 4). После этого частицы наносов продолжают совершать возвратно-поступательные колебания, но уже не перемещаются [26].

В природных условиях профиль равновесия устанавливается применительно к осредненным воздействиям штормовых волн, свойственных данному району.

В фазу стабилизации волнения поперечное перемещение наносов прекращается. Они испытывают или возвратно-поступательные колебания (подход волн по нормали), или только продольное перемещение (косой подход волн).

При изменении параметров волн профиль равновесия нарушается и частицы наносов каждой крупности находят свою нейтральную зону в новых условиях в другом месте. Совокупность этих нейтральных зон приводит к выработке нового профиля равновесия. Амплитуда изменений глубин при этом может превышать 1 — 2 м. После сильных штормов профиль равновесия становится длиннее, но положе, чем после действия слабых штормов. В этом процессе большую роль играет длина волны. Однако количественных закономерностей этих явлений еще не установлено. Важно, что при ослаблении волн наносы перемещаются преимущественно к берегу, а при усилении — в сторону моря. Данные явления в чистом виде происходят, когда на профиле имеются только влекомые наносы. При наличии взвешенных наносов процесс идет по той же общей схеме, но сильно усложняется общим оттоком или нагоном вод.

Уклоны и глубины основания профиля, а также положение береговой линии меняются применительно к волнам различных параметров. При сильных штормах перестройки профиля происходят за несколько часов и достигают наибольших величин. В период нарастания шторма пляж размывается и урез отступает в результате оттягивания наносов на подводный склон. В период ослабления шторма или при последующих умеренных волнениях пляж снова расширяется за счет выброса материала с подводного склона обратно к урезу. В связи с этим для изменений рельефа пляжа имеет большое значение длительность фаз нарастания, стабилизации и утихания шторма [70].

В обычных условиях наносы распределяются от самых мелких внизу, до самых крупных в прибойной полосе вблизи уреза. На тыльной стороне пляжа (со стороны суши) могут снова залегать относительно мелкие наносы, транспортируемые ослабленной частью прибойного потока.

В ходе развития рельефа береговой зоны, сложенной коренными породами, профиль приобретает определенную структуру, зависящую от первичных уклонов коренного дна и крупности преобладающей массы наносов.

Если дно достаточно круто наклонено (более 0,03 — 0,05), волны могут выбрасывать к берегу и удерживать у подножья клифа лишь крупный материал (валуны, гальку). Гравий и песок в этом случае отлагаются на нижних горизонтах подводного берегового склона. Между пляжем и зоной подводной аккумуляции часто лежит полоса обнаженного бенча (приглубый берег).

Если первоначальное коренное ложе имело очень малые уклоны (около 0,001 и меньше), то к берегу поступал и на нем удерживался материал донных наносов любой крупности. Поскольку в общей массе поступающих в береговую зону наносов песок обычно преобладает, то из него формируется широкий пляж и вся верхняя зона подводного склона. Ее нижнюю зону может занимать бенч, а еще глубже отлагаются илы.

Профилю с наносами разной крупности присущи определенные углы наклона сформированного ими дна для различных глубинных зон. Уклоны профиля при данных осредненных параметрах волнения устанавливаются в зависимости от преобладающей крупности накопившихся в данном месте наносов. Галька, например, на пляже дает наиболее крутые углы наклона — до 0,4 — 0,8 <*> (передний склон берегового вала). Углы в 0,1 сохраняются при чисто галечном дне даже у подножья склона до глубин более 10 м. В среднем для галечно-гравийных или галечно-песчаных наносов они составляют 0,05 — 0,1. Средне- и мелкозернистый песок вблизи уреза образует уклоны не более 0,02, а у основания склона они бывают значительно менее 0,01.

<*> Углы наклона здесь и далее выражены в тангенсах.

При волнах малого периода уклоны дна становятся относительно крутыми, но сама переработка охватывает лишь верхние горизонты подводного склона. При длиннопериодных волнах дно уполаживается.

На рис. 5 показан ход развития деформаций профиля крутого берега.

Рис. 5. Схема развития и основные морфологические элементы профиля разрушающегося крутого берега:

I, II, III, IV — соответственно стадии отступания берега; 1 — клиф, 2 — пляж, 3 — бенч, 4 — первичная поверхность, 5 — подводная аккумулятивная терраса

Процесс выбрасывания наносов со дна к «отмелому» берегу весьма распространен в природе. В данном случае материал литосферы перемещается от низких горизонтов к высоким, в отличие от других процессов, обусловленных воздействием силы тяжести. Это противоречие действию гравитации объясняется асимметрией волновых движений воды. В частности, подачей наносов в сторону берега с широких мелководий объясняется возникновение и развитие многих береговых баров, отчленяющих от берега лагуну. Лагуны могут образовываться также при вековом погружении нарастающих аккумулятивных береговых террас. В последнем случае пересыпи или береговые бары достигают очень большой ширины (иногда более 2 км).

2.3. Продольное перемещение наносов происходит при подходе волн под острым углом к берегу. Наиболее проста схема перемещения материала на пляже (рис. 6).

Рис. 6. Схема продольного перемещения по пляжу частиц наносов различной крупности:

1 — перемещение крупного обломка (путь обломка АДБ), 2 — перенесение менее крупного обломка (АЕВ), 3 — перемещение мелкого обломка (АЕГ)

На подводном склоне процесс намного усложняется, особенно если наносы имеют малую крупность (песок). Их продольное перемещение (рис. 7) происходит при комбинированном действии волн и разного рода течений (см. п. 1.5). Вдольбереговые течения идут параллельно ровному берегу. У резких изгибов береговой линии (мысов) они отклоняются и соответственно могут уносить от береговой линии материалы малой и средней крупности.

Рис. 7. Схема продольного и поперечного перемещения наносов по подводному склону:

1 — направление уклона дна, 2 — направление распространения волн, 3 — направление вдольберегового течения, 4 — прямая волновая скорость, 5 — обратная волновая скорость, АВСД — траектория движения обломочной частицы, АЕ — конечное перемещение обломочной частицы

При сильных штормах не только песок и гравий, но даже галька могут отходить от береговой линии в виде подводной косы (это, например, зафиксировано в бух. Инкит у м. Пицунда).

Как правило, при косых волнениях продольное и поперечное перемещения наносов комбинируются друг с другом.

Единичное косое волнение производит подвижку наносов в одну сторону на определенное расстояние (в зависимости от длительности и силы шторма, угла подхода волн, уклона дна и крупности наносов). При прочих равных условиях скорость и объем перемещения наносов вдоль берега бывают наибольшими при ориентировке луча волны под углом, близким 45° относительно берега (рис. 8). Если угол приближается к прямому, то уменьшается «шаг» частиц наносов. Если угол становится более острым, то вследствие рефракции волн падает их энергия на единицу длины берега. Оптимальный угол между лучом волны и береговой линией обозначается как \varphi . По данным лабораторных и натурных измерений его абсолютная величина изменяется от 28 до 60° в зависимости от уклона дна и крупности материала.

Рис. 8. Изменение скорости продольного перемещения наносов в зависимости от угла \alpha подхода волн к берегу:

АВ — линия берега, СД — нижняя граница подводного берегового склона, \rightarrow — направление луча волн, \varphi — оптимальный угол подхода

2.4. Если у данного участка ровного берега алгебраическая сумма двусторонних миграций (объема материала, перемещенного в одну сторону за единицу времени через сечение береговой зоны) не равна нулю, то здесь существует вдольбереговой поток наносов, т.е. итоговое их перемещение (за год или больший срок) в одном направлении. Явление это весьма сложно.

Галечные потоки обычно имеют ширину порядка нескольких десятков метров, песчаные — более километра. Галька в меньшей мере испытывает влияние штормовых течений, мощность галечных потоков на Черном море превышает 100 тыс. м3/год; песчаные потоки могут переносить более 1 млн. м3/год, например, в районе порта Вентспилс.

Своеобразные очень мощные потоки образуют также илистые наносы. Ил взмучивается в штормовую погоду волнами и перемещается в виде взвеси в направлении суммарного вдольберегового течения преимущественно в придонном слое. Известна также грядовая форма перемещения илов.

2.5. Поток бывает «насыщенным», если волны имеют возможность захватить все то количество наносов, которое они в состоянии перемещать. Это возможно при условии, если вся береговая зона сложена достаточно мощной толщей наносов. В насыщенном потоке целиком используется способность волн приводить в движение и перемещать наносы.

При дефиците нагрузки поток не насыщен, а часть энергии волн может тратиться на разрушение обнаженного берега или коренных пород на подводном склоне (бенча). Локальные участки бенча на дне или в зоне заплеска волн всегда служат поэтому показателем дефицита нагрузки потока. В зависимости от местных условий (уклоны и экспозиция дна и запас материала разной крупности) поток может быть на одних глубинах насыщенным, а на других — иметь дефицит нагрузки или вовсе отсутствовать.

Если под влиянием каких-либо причин емкость потока, имеющего дефицит нагрузки, падает, то степень его насыщения увеличивается при сохранении той же мощности; если же падает емкость насыщенного потока, то волны уже не в состоянии перемещать прежнее количество материала, и часть его выпадает из потока, аккумулируясь на подводном склоне или у берега; при этом соответственно падает и мощность потока, хотя он продолжает оставаться насыщенным.

Если возрастает емкость насыщенного потока, то, при наличии достаточного количества обломочного материала на пляже и на подводном склоне, он может остаться насыщенным, но увеличивает свою мощность за счет размыва берега; если же количество материала ограничено, то возникает дефицит нагрузки, и часть энергии волн может тратиться на абразию.

2.6. В ходе двусторонних миграций наносов неизбежно происходит диффузия части материала навстречу основному потоку. Это значит, что в любой момент на пляже и подводном склоне можно обнаружить материал данного «точечного» источника (устье реки, ограниченный участок абразии) в стороне, противоположной направлению общего потока наносов (рис. 9). Расстояние, на которое материал перемещается вследствие диффузии, зависит от волнового режима, в основном от относительной длительности действия преобладающих волн и волн противоположного направления. Например, галька пород, специфических для аллювия р. Бзыбь на Кавказском берегу, всегда может быть встречена в 3 — 4 км севернее устья (рис. 10), хотя поток наносов направлен в данном случае на юго-восток.

Рис. 9. Схема диффузии наносов вблизи устья реки:

1 — основное направление потока наносов, 2 — встречное направление, 3 — направление равнодействующей энергии волн

Рис. 10. Карта-схема берега в районе м. Пицунда и Мюссерского рейда (толщина стрелок, обозначающих потоки наносов, соответствует их мощности)

Явление диффузии гальки специфических типов или не свойственных данному участку тяжелых минералов неопытными исследователями иногда рассматривается как существование короткого встречного потока наносов. Это большая ошибка. Часть материала временно задерживается на месте, попав туда во время подвижек, направленных навстречу основному потоку, и постепенно обновляется.

2.7. Необходимо учитывать, что на некоторых участках береговой зоны при различной силе волн противоположных направлений крупные и мелкие наносы могут получать итоговое вдольбереговое перемещение в разные стороны. Волны из одного сектора могут быть частыми, но слабыми. Они перемещают сравнительно мелкий материал, а крупный остается в покое, или движется медленно. Волны другого направления, если они намного сильнее первых, перемещают весь материал пляжа, включая валуны. В результате серии двусторонних миграций за достаточно длинный срок получится, что крупный материал перемещен в одну сторону, а мелкий — в другую (рис. 11).

Рис. 11. Схема двусторонних миграций наносов различной крупности

Такие условия существуют в районе Одессы между Сухим лиманом и м. Б. Фонтан. К последнему идет гравий, а песок под действием частых северо-восточных волнений идет на юг к Сухому лиману. Подобное же явление установлено у восточной части берега Мюссер (на юго-восток от Пицунды). Берег там открыт волнам западных румбов, в то время как восточные очень слабы, хотя имеют частую повторяемость. По этой причине только мелкая галька, гравий и песок идут на запад, в сторону Пицунды, а основная масса материала смещается к востоку.

Еще более сложное явление отмечается в западной части Темрюкской бухты Азовского моря, где наносы состоят из битой ракуши разной крупности, а также тонкого минерального песка (выносов Кубани). В данном случае ракушечный материал идет к востоку, в направлении устья Кубани, где и накапливается. Донный же материал при действии волн северных и северо-восточных румбов и сопровождающего их течения перемещается по подводному склону на запад, вплоть до Керченского пролива.

На схеме изображены результаты воздействия чередующихся трех сильных и шести слабых волнений противоположного направления, на пляже (А и А1), а также на подводном склоне (Б). Суммарное расстояние, проходимое относительно крупной частицей (кружочки), при сильных волнениях превышает таковое за время слабых. Ее итоговое перемещение направлено вправо (вектор M).

На том же участке пляжа и за тот же период расстояния, проходимые мелкой частицей (жирные точки), абсолютно бульшие в обоих направлениях, но ее итоговое перемещение может оказаться направленным в противоположную сторону (вектор L).

На подводном склоне перемещается только мелкая частица. Воздействие на нее слабых волнений резко уменьшается. В результате за тот же период она может переместиться в обратном направлении относительно частицы той же величины на пляже (вектор N).

Можно представить, что даже и без участия течений волны различной силы могут обусловить противоположное направление перемещения наносов на разных глубинах (рис. 11).

2.8. Внешняя устойчивость и неизменность берега еще не говорит о том, что на данном участке не происходит активных процессов. На транзитных участках достаточно искусственно изменить режим потока, как начнется интенсивное разрушение берега или, наоборот, аккумуляция наносов.

Например, между Туапсе и Адлером до 40-х годов десятилетиями не наблюдалось никаких существенных изменений. Стоило, однако, возвести молы Сочинского порта (1937 г.), как южнее от него полностью исчезли пляжи и началось интенсивное разрушение берега.

Изменения характера берега бывают иногда следствием возведения запруд и водохранилищ на реках, питающих пляж своими наносами. Так, интенсивное разрушение дельты Куры — результат создания Мингечаурского водохранилища. Плотина на Риони привела к резкому замедлению роста дельты Риони-сброса и уже начался ее размыв севернее г. Поти.

2.9. Очень большие осложнения в режиме потока наносов вызываются чередованием штормов разной силы. Суммарная энергия волн в два и в девять баллов отличается на два порядка. Если шторм действует хотя бы сутки, то за это время вдоль ровного берега галька, по производившимся измерениям, может пройти расстояние до 8 км, а песок — втрое больше. По мере утихания шторма материал выбрасывается на пляж, но уже очень далеко от места прежнего залегания. Самое интересное, что подобные кратковременные потоки пляжевых наносов могут за время шторма пройти мимо участков берега, у которых в тихую погоду вообще не бывает пляжа и ничто не указывает на то, что здесь существует поток наносов. В данном случае он суммируется только в результате мощных разовых подвижек.

Хороший пример этому дают берега Ялтинской бухты. В качестве индикатора здесь использовалась карадагская галька. Первый такой опыт был проведен по восточному берегу (от м. Никита), а много позже с тем же материалом был поставлен опыт на западной стороне (от м. Ай-Тодор). В обоих случаях галька дошла до вершины бухты, обойдя крутые скалистые выступы, выдвинутые в море на глубину до 6 м [94].

Второй пример подобного рода дают скалистые берега к северу от курорта Гагра. Они также лишены надводного пляжа, и даже на дне в тихую погоду гальки нет на больших участках. Однако каким-то образом аллювий р. Псоу попадает на Гагринский пляж в больших количествах. Иначе, как перемещением больших порций галечника за время мощных западных штормов, это явление объяснить невозможно.

Такой поток является дискретным (разорванным), но его возможное существование и мощность должны учитываться при любом проектировании.

2.10. Против искусственных подпорных, волноотбойных и прочих стенок (любого профиля) надводный пляж суживается. Мощные всплески косых, отраженных от стенки волн (их скорость достигает 6 м/с), повышают емкость потока, поскольку скорость перемещения материала увеличивается. Чем ближе расположена волноотбойная стенка к зоне прибоя, тем сильнее указанный эффект.

Пляж исчезает на большом протяжении и естественным путем больше не возобновляется. Яркий пример этому представляет берег у Гагр, где стенка достигает 8 км в длину.

На Пицунде стенка, построенная в полосе наката, привела к полному исчезновению, пляжа; после ее разрушения пляж возобновился.

При проектировании стенок нужно учитывать как характер прибоя (ширину зоны штормового наката), так и конфигурацию берега. При слабых волнах материал, поступающий к участку оголенной стены, накапливается у ее подножья и постепенно наращивает пляж. Если участок стены не очень длинен, а период слабых волн с одной стороны (вверх по ходу потока) продолжителен, то надводный пляж может возобновиться и принять обычную ширину. Однако, если сильный шторм начнется раньше, чем произошла регенерация пляжа, то весь успевший накопиться материал снова исчезнет.

Конечный результат зависит именно от чередования волн разных параметров и направлений и от длины построенной стенки. Чем последняя длиннее, тем меньше шансов, что перед ней сохранится надводный пляж.

2.11. Большое значение имеют при изысканиях различия между ровными и бухтовыми берегами. Если бухты глубоко врезаны, то перемещение наносов вдоль их берегов может происходить только в направлении к вершине и там аккумулируются большие массы наносов, образуя широкие террасы или пересыпи с серией береговых валов.

Если бухты имеют малую «стрелу прогиба» и являются «вогнутостями» (как их принято называть в научной литературе), то потоки наносов могут огибать бухты по периметру.

Бухты с малым врезом могут обмениваться наносами, которые не только попадают сюда со смежных участков берега, но и уходят из бухт в прежнем направлении. Различия в экспозиции берегов бухты на разных участках вызывают изменения в режиме потока наносов и даже крупности и составе материала по отдельным участкам, но, тем не менее, поток наносов не прерывается.

Р.Я. Кнапсом [39] описан пример крупной вогнутости вдоль Куршской косы (Балтийское море). Несмотря на то, что азимуты боковых краев бухты составляют 90 и 15° (угол растворения 75°), наносы проходят с запада на север всю эту вогнутость с минимальной потерей материала на наращивание пляжей.

Второй пример подобного рода, но малого масштаба, представляет бух. Инкит (Пицундский полуостров Черного моря). При угле растворения 55° по пляжу вдоль берега этой бухты проходит без потерь поток гальки и песка мощностью более 100 тыс. м3/год.

2.12. При изменении направления берега условия работы волн становятся иными. Поток может образовывать «пучность» в виде уширения пляжа или же пляж резко суживается. В обоих случаях количество материала, проходящее через данное сечение, остается прежним. Однако вдоль широких пляжей наносы перемещаются медленно, а вдоль узких — значительно быстрее. Условия равновесия очертаний больших участков береговой зоны устанавливаются исторически за большой промежуток времени и связаны с экспозицией отдельных участков относительно равнодействующей волнового режима.

2.13. Поступление материала в поток далеко не всегда происходит на ограниченном участке (устье крупной реки). Обычно поток подпитывается на своем протяжении из более мелких рек или на участках разрушения коренных пород волнами.

По пути потока происходят также и потери материала. Галечные и ракушечные потоки истощаются за счет истирания частиц в полосе прибоя [24]. Потери на истирание гальки могут достигать 1000 м3 в год на 1 км пляжа.

Наносы могут также теряться на участках крутых свалов морского дна и, особенно, в подводных каньонах (последние широко распространены в восточной части Черного моря в районе Адлер-Батуми).

2.14 Потоки оканчиваются или значительно ослабляются, если:

а) берег постепенно приобретает ориентировку, близкую к нормали относительно равнодействующей волнового режима;

б) береговая линия резко отгибается в сторону от моря;

в) далеко в море выдвинут коренной мыс или дельтовый выступ реки;

г) падает энергия волн в связи с ограничением (суживанием) водного пространства (в крупных узких заливах);

д) участок берега защищен от волн островом или обширной отмелью;

е) наносы уходят в подводные каньоны или сваливаются по крутым откосам на большую глубину.

2.15. Во всех упомянутых случаях (кроме последнего) материал, приносимый и отлагаемый потоком, строит ту или иную аккумулятивную надводную или подводную форму (рис. 12).

Рис. 12. Типы аккумулятивных береговых форм:

а — терраса у ровного берега; б — терраса, заполняющая вогнутости берега; в — аккумулятивные выступы; г — стрелка; д — коса; е — томболо (перейма); ж — петлевидная коса; з — береговой бар

У оконечности таких форм уже за пределами подводного берегового склона иногда образуются очень крутые донные откосы наносной призмы. Их основание резко граничит с плоским дном, часто покрытым илами.

Наиболее ярким примером является м. Пицунда. Галечник, сгружаясь у его оконечности, осыпается вниз до глубины 70 м, образуя откос в 25 — 30° крутизны, и, тем самым, надстраивая и выдвигая подводный цоколь мыса.

Для ракушечно-песчаных берегов характерен пример оконечности косы Тендра. На подводном береговом склоне наносы залегают под углом 0,03. На глубине от 4 до 14 м крутизна откоса увеличивается до 0,20.

Аккумулятивные береговые формы, питаемые потоком, обычно резко асимметричны. Они скошены в направлении хода потока (например м. Колкас при входе в Рижский залив). Последовательные стадии роста формы, иногда и ее размеры, хорошо читаются по очертаниям древних береговых валов. Если имеются карты, составленные в прошлом столетии или ранее, то, сравнивая очертания берега и распределения глубин перед ним, можно подсчитать объем материала, накопившегося за данный длительный период, и определить ежегодное поступление.

Для косы Колка в Ирбенском проливе (вход в Рижский залив) ежегодное поступление превышает 500 тыс. м3 в год.

§ 3. Общие процессы динамики береговой зоны моря

3.1. Чтобы оценить условия, в которых возводятся гидротехнические сооружения, наиболее правильно выбрать тип сооружения и предвидеть ближайшие последствия его постройки на морском берегу, нужно иметь совершенно конкретные сведения (в количественном выражении) о том, какие именно факторы взаимодействуют на участке берега и подводного склона в данный относительно короткий (порядка нескольких десятилетий) промежуток времени. Важно знать также, каковы пределы изменений интенсивности действия этих факторов и какие элементы береговой зоны ими определяются. Все эти данные могут быть объединены в понятие режим береговой зоны.

Исследования динамики и, в частности, режима береговой зоны очень важны для разработки мероприятий по защите берегов от размыва, увеличению ширины или созданию пляжей там, где их раньше не было. Если берег гол, отмел и лишен наносов, то это еще не значит, что он пригоден для создания неогражденного пляжа. Анализ гидрометеорологических данных может показать, что на данном участке поток или миграции возникнут, когда на нем появятся наносы.

3.2. Процессы динамики морских берегов могут протекать очень быстро, так как количество энергии, приносимое волнами к берегам, составляет громадную величину. Однако в большинстве случаев природные изменения берегов происходят незаметным образом, а почти вся энергия волн расходуется на внутреннее трение в процессе их деформации и на движение наносов. Это противоречие объясняется тем, что у всех берегов исторически сложилось подвижное (динамическое) равновесие между действием различных факторов. Главной задачей исследователя динамики морских берегов является выявление всех элементов и условий этого равновесия, чтобы заранее предсказать те изменения в береговых процессах, которые произойдут при намечаемом строительстве.

Для пояснения целесообразно привести пример черноморских берегов Кавказа, где за последние десятилетия отмечается постоянное убывание ширины пляжей и медленная абразия берега. С абразией на участке железной дороги Туапсе-Адлер долгое время боролись путем постройки волноотбойных стен и других сооружений. Вдоль берега здесь с севера на юг шел достаточно мощный поток галечных наносов (30 тыс. м3 в год), но внешне берег почти не обнаруживал изменений. На этом участке установилось равновесие между количеством поступающих к берегу и уносимых от него наносов, между разрушительным воздействием волн и уклонами дна и пляжа, на которых волны в значительной мере разбиваются, приводя в движение слой наносов и расходуя при этом свою энергию. Однако, как только это равновесие было нарушено постройкой молов Сочинского порта, на соседних участках берега начали происходить быстрые резкие изменения. Материал перегороженного потока наносов стал накапливаться к северу от порта и в два-три года образовал на протяжении 5 км широкий пляж, благодаря чему на этом участке абразия берега прекратилась. К югу от порта за это же время пляж полностью исчез, а слагавшая его галька была унесена волнами в сторону Мацесты. Начался размыв донных отложений. Продукты размыва выносились в южном направлении, причем ежегодно освобождалась от наносов полоса дна протяженностью до 0,5 км. Обнажившиеся из-под смытых наносов глинисто-сланцевые породы дна подвергались воздействию моллюсков-камнеточцев, и их поверхность стала срезаться.

Подобные же явления происходили при постройке портовых молов в Гагре и Очамчире.

3.3. Главной составляющей динамического равновесия берега с инженерной точки зрения является бюджет наносного материала. Пляж и аккумулятивная часть подводного склона образуют как бы «подушку», на которой гасится энергия волны. В процессе движения губообломочный материал истирается и одновременно может уноситься вдоль берега на другие участки. Пополнение материала происходит за счет: а) рек и временных водотоков суши; б) медленного разрушения клифов и в) поступления наносов со смежных участков берега или со дна.

В случае изменения объема поступления обломочного материала равновесие нарушается. Наиболее распространенными случаями нарушения равновесия являются: а) перегораживание портовыми молами потока наносов; б) изъятие наносов с пляжа для строительных целей и в) запруживание рек, выносящих к морю пляжеобразующий материал.

Два весьма важных элемента равновесия (уровень и волновой режим) в морских условиях за значительный срок можно считать постоянными.

3.4. Существует еще одна важная причина медленных изменений берега. Сильные штормы, которые бывают два-три раза в год или даже один раз за несколько лет определяют все строение подводного склона и пляжа, так как энергия штормовых волн на несколько порядков превосходит энергию обычных волнений с частой повторяемостью. Во время этих редких штормов все пляжевые наносы оттягиваются на глубину и волны усиленно абрадируют подножие клифа. На подводном склоне приводится в движение мощный слой прибрежных наносов и происходит истирание поверхности бенча, а у основания этого склона взмучиваются илы и пески и уносятся далеко в море. В те зоны, где залегал унесенный материал, поступают новые порции песков из прибрежья и там откладываются.

В этом отношении исключительный интерес представляют эксперименты, выполненные на м. Пицунда. Обнаружением на глубинах более 200 м песчинок, окрашенных люминофорами, ранее выброшенных на пляж, доказано, что после штормов часть из них необратимо уходит, попадая в вершины подводных каньонов, верхний край которых лежит на глубине 20 и более метров [14]. Там же имеется один каньон, врезанный на глубину около 8 м. Этот каньон во время штормов в 4 и более баллов улавливает кроме песка гальку и даже валуны.

По мере затухания каждого сильного шторма на пляж поступают большие массы наносов, частично образованных при разрушениях, вызванных тем же штормом. Бенч закрывается песком, выпадающим из суспензии, а подводный склон в целом приобретает относительно пологие уклоны, соответствующие большим волнам, забурунивающимся вдали от берега и подходящим к урезу в виде мощного прибойного потока.

Обычным волнам остается перестроить только приурезовую часть подводного склона и край пляжа, но здесь как раз и сконцентрированы наиболее мощные слои наносов. Поэтому абразионная деятельность и истирание поверхности бенча на долгое время затихают, и происходит только движение и перемещение наносов в сравнительно узкой приурезовой зоне, что заметным образом на морфологии берега не отражается.

Описанное можно сравнить с русловыми процессами. Разработка речной долины и перемещение наносов приурочены ко времени паводков. В межень ложе долины прикрыто наносами, которые у горных рек, где залегают валуны и щебень, даже не сдвигаются с места. Вода нигде не подступает к коренным бортам долины и лишь на отдельных участках подмывает край пойменной или более древней террасы.

3.5. Облик любого берега во многом зависит от предшествовавших и современных относительных изменений уровня моря, которые в ряде мест связаны с вековыми поднятиями или опусканиями отдельных областей суши. Однако существует и общая, «эвстатическая» причина повышения уровня. Последнее происходило в поздне- и послеледниковое время в результате поступления в океан масс вод, образовавшихся при таянии последнего четвертичного ледника. Быстрое повышение уровня закончилось около 8 тыс. лет назад. С тех пор происходили, по-видимому, только незначительные его колебания, а сейчас уровень поднимается со скоростью около 10 см в столетие. Исключением является Каспийское море, уровень воды в котором интенсивно снижался в период 30 — 40-х годов нашего столетия.

Вековые изменения уровня прежде всего нарушают установившиеся профили и тем самым — равновесие аккумулятивной части дна. В Каспийском море, например, при понижении уровня наносы массами выбрасываются к урезу и наращивают берег. Это связано с тем, что отлогие зоны склона попадают в сферу действия прибойной волны и оказываются выше профиля равновесия. При этом на берегу наращиваются пляжи и образуются широкие аккумулятивные террасы. На ровных и вогнутых участках берега процесс абразии затихает или прекращается совершенно. Зато на дне обнажаются широкие полосы бенча и начинается механическое и физико-химическое разрушение коренных пород.

Обратная картина наблюдается при повышении уровня бассейна. Ее можно наблюдать на Черном море, но несравненно более ярко все сопутствующие ей процессы выражены в водохранилищах после их заполнения. Дно нижней части подводного склона выходит вообще из сферы действия волн и соответствующие участки становятся областью аккумуляции илистых отложений. В Черном море об этом свидетельствуют колонки грунта из прибрежной части зоны ила, где в нижних горизонтах вскрыты ракушечные и песчаные отложения прежнего подводного берегового склона [67].

Верхние участки берегового склона, имеющие относительно большую крутизну, попадают при повышении уровня в зону слабо деформированной волны и выполаживаются, причем наносы перемещаются на глубину. У берега волны подступают к подножью клифа, ранее защищенному полосой пляжа. Абразия при этом активизируется, и масса возникающего материала поступает на подводный склон. В вогнутостях берега и на низких террасах (устья долин) море вторгается в глубь суши, образуя бухты и заливы.

§ 4. Аккумулятивные береговые формы

4.1. Аккумулятивные береговые формы подразделяются на следующие 5 классов (схемы их показаны на рис. 12).

1. Примкнувшие — соединены с берегом по всей своей длине. К ним относятся:

а) террасы у ровного берега, образованные волнами из наносов при современном уровне моря (в отличие от древних). От пляжей они отличаются бульшей шириной, благодаря чему не заливаются накатом в самые сильные штормы;

б) террасы, заполняющие вогнутости («пазухи») коренного берега и таким образом несколько его выравнивающие.

Материал указанных террас может иметь различное происхождение. Он может поступать с суши непосредственно на данном участке (продукты абразии, речной аллювий) или быть выброшенным со дна. Однако чаще этот материал бывает перемещен к месту отложения вдольбереговым потоком наносов или в ходе двусторонних миграций;

в) аккумулятивные выступы («наволоки»), выступающие из коренного берега в море и обычно формируемые в результате вдольбереговых миграций или двумя противоположно направленными потоками наносов (конвергенция). Асимметричные наволоки могут быть образованы только потоком наносов и являются индикатором его существования в данном месте.

2. Свободные аккумулятивные формы весьма разнообразны, они длиннее наволоков и их оконечность может быть выдвинута далеко в открытое море (стрелки), поперек устья залива или в акваторию залива (косы). Эти формы всегда соединены одним концом с берегом, вдоль которого поступает их питание. Их асимметрия относительно генерального направления берега также свидетельствует о наличии потока наносов. Симметричность таких форм (стрелок) показывает наличие двух встречных потоков (конвергенция).

Обычно косы и стрелки формируются у расчлененных (бухтовых или лопастных) берегов. Однако в особых условиях они отходят в акваторию от ровного берега. Это наблюдается при направлении волновой равнодействующей под острым (менее 45°) углом относительно берега (северный берег Азовского моря) или в сравнительно узких заливах с прямыми берегами. В первом случае причиной выдвижения косы в акваторию является наибольшая емкость потока при направлении волн около 45° относительно берега. Достаточно самых легких первичных изгибов береговой линии или формирования временной выпуклости, чтобы наносное тело продолжало удлиняться в указанном направлении. В заливах действует та же закономерность плюс общее падение энергии волнового поля в акватории. Наносы в потоках с большим дефицитом нагрузки могут дойти до вершины залива. Если же их насыщенность была достаточно велика, то отложение начинается не в самой глубине залива и еще далеко до вершины формируются сначала наволоки, а из них вырастают косы.

3. Замыкающие — объединяют, прежде всего, разнообразные пересыпи, отгораживающие от моря устья заливов и лиманов. Пересыпь может быть сплошной или в ее теле сохраняются прорывы стока речных, дождевых или приливных вод. К этому же классу условно отнесены различные переймы («томболо»), соединяющие с берегом коренной остров или несколько островов друг с другом.

4. Окаймляющие аккумулятивные формы заключают в своем теле замкнутую акваторию. В особых условиях (встреча двух потоков) две косы соединяются своими дистальными концами и образуют одну петлевидную или остроконечную (треугольную) форму. Особенно часты симметричные петлевидные формы в волновой тени от острова, а также резко асимметричные петлевидные косы, оконечность которых прижалась к коренному берегу вследствие возникающего дефицита нагрузки потока наносов.

5. Отчлененные формы не связаны с коренным берегом вообще (по крайней мере на большом расстоянии). Наиболее крупной и часто встречающейся формой являются береговые бары. В большинстве случаев они возникают за счет донного питания. Некоторые бары целиком сложены морской ракушей.

Такова Арабатская стрелка на Азовском море. Хорошо выражен береговой бар на десятки километров к северу от Дунайской дельты. Классическим примером бара является коса Меечкен у северного берега Анадырского залива. Она сложена галечным материалом моренного происхождения, выброшенным на прибрежные мелководья со дна, и ни в одной точке не соприкасается с материком.

Вторым типом отчлененных форм являются аккумулятивные (наносные) острова, представляющие собой, обычно, остатки разрушенных форм иного типа. Например, таким островом является оконечность бывшей косы Тузла в Керченском проливе.

Любая крупная аккумулятивная форма может нести вторичные малые формы (обычно с внутренней стороны) иногда временные, иногда достаточно стабильные. Рост основной формы может индуцировать на смежных участках образование накоплений иного типа. Например, если с одной стороны бухты выросла коса, то на противоположной стороне против нее (на участке ослабления волн) может возникнуть наволок или коса меньших размеров.

4.2. Локальные накопления наносов у берега и на подводном склоне весьма разнообразны. Размеры их могут быть очень велики. Длина береговых баров может превышать тысячу километров (Мексиканский залив); длина кос — более 100 км. Такие крупные формы имеют очень длительный период развития — в несколько тысячелетий.

Происхождение береговых баров обычно связано с поступлением и смещением материала к берегу при повышении уровня Мирового океана и соединенных с ним морей. Формы меньшего размера в большинстве образовались или эволюционировали и продолжают развиваться уже в современных условиях.

4.3. Различают два основных вида аккумулятивных форм: стабильные и мобильные. Последние существуют до тех пор, пока поступает новый материал на их постройку. Если поступление уменьшается или вовсе прекратится, то они подвергаются размыву и исчезают. Эволюцией своих очертаний и размеров они чутко реагируют на изменение общего режима поступления и перемещения наносов.

Стабильные формы могут и не получать в настоящее время питания. Они существуют независимо от способа возникновения в условиях, когда преобладающие волны (и волновая равнодействующая) ориентированы по нормали относительно их периметра.

Свободные, окаймляющие и отчлененные формы являются мобильными.

4.4. Симметричность выдвинутых аккумулятивных форм говорит об их питании двумя потоками (конвергенция). Такие формы обычно бывают насажены на выступ суши, по обе стороны от которого имеются обширные акватории (пример — коса Чаплина в Беринговом море). Обе стороны таких форм обрабатываются системами волн различных направлений.

Невозможно изложить какие-либо универсальные правила для восстановления истории развития данной аккумулятивной формы и прилегающих коренных берегов. Слишком разнообразны для этого природные условия. Результаты и надежность выводов зависят во многом от опыта, знаний и интуиции исследователя.

4.5. Особый интерес при изучении литодинамики береговой зоны вызывают подводные каньоны (рис. 13), представляющие собой относительно крутосклонные долины, ложе которых уходит на большие глубины и имеет уклон у вершины до 30 — 45°, а на глубинах — 10 — 20°. В тех случаях, когда вершины каньонов расположены в пределах береговой зоны (например, вдоль побережья Грузии) в эти депрессии при штормах попадают наносы, и эта часть полностью изымается из бюджета. Некоторые каньоны являются активными в настоящее время. Осыпающийся и оползающий по их ложам материал, особенно если в его составе имеются валуны и галька, эродирует ложе каньона, некоторые из каньонов постепенно врезаются поэтому вглубь и продвигаются к берегу.

Рис. 13. Участок берега с подводными каньонами (изобаты в метрах)

Скорость врезания была достаточно точно определена за длительный срок для Потийского каньона и составила в среднем 8 м в год. После сброса Риони в новое русло этот процесс прекратился.

Подводные каньоны могут влиять не только на бюджет наносов береговой зоны, но и на ее очертания. Там, где происходит перехват наносов, образуются вогнутости береговой линии. Ниже вершины каньона поток наносов получает дефицит нагрузки, что вызывает размыв берега иногда на большом протяжении (бухты размыва).

Глава II. ВИДЫ, ЗАДАЧИ И СОСТАВ ИССЛЕДОВАНИЙ. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ

§ 1. Виды исследований

1.1. В комплекс исследований, связанных с изучением режима наносов и динамики берегов для гидротехнического строительства, входят в общем случае:

а) натурные исследования (маршрутные, повторные и стационарные),

б) эмпирико-теоретические расчеты,

в) моделирование гидротехнических сооружений во взаимодействии с процессами, протекающими в береговой зоне.

Им предшествует сбор и анализ литературных и архивных материалов по изучаемым вопросам. Общая схема организации исследований показана на рис. 14.

Рис. 14. Схема организации и проведения исследований

1.2. Все перечисленные виды исследований могут вестись или одновременно, если объект изучался ранее и исходных материалов для начала исследований достаточно, или в определенной последовательности, диктуемой наличием материалов и требованиями проектирования.

1.3. Обычно основными являются натурные исследования. На их основе получают исходные данные для эмпирико-теоретических расчетов и моделирования и уточняются уже предварительно выполненные расчеты.

Натурные исследования в свою очередь состоят из:

а) геолого-геоморфологического обследования побережья,

б) гидрологических изысканий,

в) морфо-литодинамических исследований.

Обследование проводится в начале работ, изыскания и исследования ведутся в течение более длительного времени.

К гидрологическим изысканиям относятся обычные наблюдения за элементами гидрологического режима (а также некоторыми элементами метеорологического режима) и наблюдения за наносами. Наблюдения за наносами являются одновременно составной частью морфо-литодинамических исследований, в состав которых, кроме того, входят:

а) общее описание и геоморфологическая съемка побережья с составлением соответствующих карт (на базе топографических материалов);

б) повторные нивелировки пляжа и промеры глубин на подводном склоне;

в) водолазные обследования дна (на глубинах до 5 — 6 м путем ныряния в маске, а на больших глубинах с применением аквалангов);

г) повторные аэрофотосъемки пляжевой зоны и прибрежного мелководья;

д) анализ и интерпретация планов промера глубин, топографических съемок и аэрофотоматериалов и увязка их с данными о движении наносов.

1.4. В ходе выполнения исследований производится отбор образцов грунта (наносов), вещественный и механический состав которых изучается в лаборатории. Промер глубин и сбор проб грунта должны проводиться или одновременно с одного судна, или с минимальным промежутком времени. После серии эхолотных галсов сразу производится сбор грунтов.

§ 2. Цели исследований

2.1 Целью перечисленных видов исследований является:

• изучение современного режима береговой зоны, а также прогнозирование ее вероятных изменений в естественном состоянии и во взаимодействии с гидротехническими сооружениями как существующими, так и проектируемыми;
• количественное прогнозирование размеров заносимости морских каналов и искусственных акваторий, а также размыва берегов;
• разработка надежных, экономически оправдываемых мер по предотвращению размывов дна и разрушений берегов и сооружений после строительства последних, а также по уменьшению заносимости каналов и искусственных акваторий.

2.2. Оценка изменений в рельефе, структуре и режиме береговой зоны и количественные определения результатов этих изменений бывают двух видов:

а) определяются возможные интенсивность и амплитуда вызываемых отдельными штормами изменений, которые могут воздействовать на берег и гидротехнические сооружения. Например, заносимость канала на определенном участке, размыв берега или подмыв фундамента сооружения в результате шторма с заданной (обычно редкой) повторяемостью;

б) определяется конечный результат длительных геоморфологических и литодинамических процессов за конкретный период (сезон, год и более длительный период).

2.3. Некоторые изменения береговой зоны являются необратимыми. Например, абрадированный коренной берег или сточенный бенч уже не возобновляются. Поэтому такие элементы должны исследоваться особенно тщательно.

§ 3. Задачи исследований

3.1 Перед исследователями и изыскателями ставится задача собрать сведения, достаточные для:

• характеристики рельефа и состава пляжей, береговых обрывов (клифов), подводного склона и аккумулятивных подводных и надводных форм;
• составления карты грунтов;
• выявления зон или участков питания, транзита и отложения наносов;
• определения направления и интенсивности массового перемещения влекомых и взвешенных наносов, главным образом вдоль берега, а также со дна к берегу и с берега в море (включая распределение расхода взвешенных и влекомых наносов по подводному склону);
• оценки устойчивости или темпа отступания клифов и пляжей, а также направления и скорости изменений аккумулятивных форм, в том числе на подводном склоне;
• определения протяжения, направления и структуры потоков наносов, а также размаха и мощности их двухсторонних миграций в зависимости от воздействия гидродинамических факторов;
• оценки влияния существующих гидротехнических сооружений на миграции наносов и на деформации берегов и дна с целью прогноза воздействия проектируемых гидротехнических сооружений на деформации берегов и дна;
• оценки влияния миграций наносов на гидротехнические сооружения;
• анализа действия факторов, вызвавших заносимость или размыв акваторий и каналов в течение года или сезона, а также в результате отдельных штормов или их серий;
• составления прогноза величины заносимости разной обеспеченности при естественном режиме и после возведения проектируемых гидротехнических сооружений.

3.2. Конкретно задачи и состав исследований определяются в зависимости от назначения и типа гидротехнических сооружений, характера берега и естественного гидрологического режима на исследуемом участке, а также от стадии проектирования.

§ 4. Состав и продолжительность исследований

4.1. Состав материала, образующего дно и пляж, а также режим волнения и течений легче поддаются изучению, нежели перемещение наносов, особенно донных. Поэтому в береговой зоне обычно ведутся систематические наблюдения над течениями и волнением (гл. IV) и над изменением состава грунтов и морфометрии дна (главы V, VI, VII и VIII). Наблюдения за перемещением наносов производятся лишь эпизодически, в характерные моменты гидрологического режима. Этими наблюдениями выясняется зависимость расхода и направления перемещения наносов от течений и волнений. При непрерывных и регулярных наблюдениях над течениями и волнением появляется возможность таким образом изучить, с достаточной для практики точностью, режим перемещения наносов.

4.2 Состав работ при проведении натурных исследований режима перемещения наносов и динамики берегов примерно следующий:

У морских берегов:

1. систематические стационарные наблюдения над ветром, уровнем, волнением, мутностью, температурой, прозрачностью и цветом воды в одном или нескольких репрезентативных пунктах;

2. повторные, неоднократные комплексные наблюдения на одной или нескольких постоянных вертикалях в составе: ветер, волнение, направление и скорость течения, концентрация по глубине взвешенных наносов (мутности), элементарные расходы взвешенных и влекомых наносов;

3. производство гидрологических разрезов в характерные моменты гидрологического режима или с полным комплексом наблюдений на каждой станции, или только разрезы мутности;

4. повторные периодические наблюдения над изменениями рельефа дна и берега с отбором образцов грунта дна путем повторных батиметрических съемок и нивелировок пляжей, промеров и водолазных обследований дна, как правило, после прохождения штормов или после длительного затишья.

На устьевых рукавах:

1. периодические промеры участка и отбор образцов грунта;

2. систематические наблюдения над уровнем воды и уклонами на характерных участках;

3. эпизодические измерения расходов воды в количестве, достаточном для построения кривой расхода воды;

4. измерения расходов взвешенных и донных наносов одновременно с измерением характерных расходов воды;

5. систематические наблюдения над мутностью и прозрачностью воды в постоянном пункте.

На устьевых барах:

состав наблюдений такой же, как и у морских берегов с дополнительным изучением режима в бороздинах, производимом так же, как на рукавах.

4.3. Поскольку основные деформации дна и перемещение наносов происходят в штормовую погоду, то материал рейдовых наблюдений и гидрологических разрезов, выполняемых в сравнительно спокойную погоду, может быть использован лишь для общей характеристики гидрологического режима прилегающей части моря (соленость, термика, постоянные или приливо-отливные течения). Для расчетов заносимости, разрушения берегов и других факторов используются данные специальных наблюдений и экспериментов в штормовую погоду, описанных в следующих главах Руководства.

4.4. Образцы пород и грунтов, а также пробы воды, собранные за время натурных исследований, подвергаются лабораторной обработке, состоящей из:

а) фильтрования или выпаривания проб воды и определения веса сухого остатка;

б) определения гранулометрического и вещественного состава проб береговых пород, грунта дна и наносов;

в) дополнительных определений, выполняемых по специальному заданию, физических и механических свойств (окатанности, естественной влажности, объемного и удельного веса, угла естественного откоса, пределов пластичности, прилипаемости, петрографических и минералогических характеристик).

4.5. Конкретный состав, частота и длительность наблюдений на участке зависят от характера колебаний уровня моря, от повторяемости ветров и течений активных направлений (румбов) и значительных скоростей, от распределения этих факторов во времени и в пространстве. За период изысканий должно быть произведено максимально возможное количество наблюдений с учетом вариантов приливов, сгонов-нагонов, направлений и интенсивности ветра, течений, волнения и ледовых условий.

4.6. Недостаток времени, а также несовершенство методов и средств натурных измерений заставляют на всех этапах исследований прибегать к эмпирико-теоретическим расчетам (гл. XI).

Наука о литодинамических процессах береговой зоны еще сравнительно молода, а сами процессы сложны, поэтому методы и формулы расчета дают не точные и бесспорные, а только приближенные решения. Их следует уточнять путем сравнения с результатами исследований в натуре. Чем больше материалов наблюдений лежит в основе эмпирико-теоретических расчетов, тем они достовернее.

4.7. Многие задачи гидротехнического проектирования, в частности проблемы взаимодействия сооружений с элементами режима береговой зоны, могут быть решены только путем исследований на модели, воспроизводящей рельеф береговой зоны, гидродинамические и литодинамические процессы. Однако моделирование базируется на данных гидрологических изысканий, и его выводы должны быть подтверждены наблюдениями в натуре, поскольку неопределенность соотношений масштабов (линейных, временных и плотностных) может привести к ошибкам.

4.8. Цикл повторных и стационарных исследований динамики береговой зоны должен охватить все сезоны, т.е. длиться целый год и затем продолжаться не менее 2 — 3 лет, так как климатические условия и определяемые ими режим волн, течений, поступления аллювия и другое в многолетнем ходе не равномерны. При этом материалы первого года явятся условным эталоном, по которому можно предварительно устанавливать причинные связи между изменениями береговой зоны и явлениями, которые существенно меняются в последующие периоды (ход уровня, волнение, течения, ветер, режим стока рек и пр.).

Целесообразно продолжать наблюдения и после строительства сооружений, чтобы установить вызываемые им изменения береговой зоны, степень воздействия природных факторов на устойчивость и службу сооружений и разработать наиболее эффективные мероприятия борьбы с вредными воздействиями. Некоторые виды наблюдений следует продолжать длительный срок. Так, например, на некоторых участках Южного берега Крыма они продолжаются более 20 лет. Длительное время наблюдения ведутся также на участках Кавказского берега (районы Геленджика, Сочи и др.).

Поскольку изыскательская партия обычно ликвидируется после выполнения своей основной программы, то следует передавать материалы местным органам Коммунхозов, Гидрометеослужбы или подразделениям ГУГК с тем, чтобы поиск реперов временной геодезической сети, а также закрепляющих галсы не вызвал затруднений и возможных ошибок в дальнейшей работе.

4.9. Комплексные исследования для гидротехнического строительства выполняются, как правило, по этапам: для технико-экономического обоснования ТЭО и для непосредственного проектирования.

4.10. После рекогносцировочных обследований выполняется основной комплекс исследований, необходимых для составления генерального плана объекта, компоновки ограждений акватории, выбора площадок для размещения конкретных сооружений, для трассирования подходных каналов и отвода районов свалки вычерпанного грунта.

4.11. При дальнейших исследованиях проверяются и уточняются ранее полученные значения элементов гидрологического режима, интенсивности перемещения наносов, деформаций берегов и дна, заносимости акваторий и каналов.

4.12. Изысканиям предшествуют обобщение и анализ накопленных данных о геологическом строении, геоморфологии изучаемого участка и происходящих на нем литодинамических процессах и гидрологических явлениях. Сбор, обобщение и анализ исходных данных завершаются рабочей запиской с выводами.

4.13 В результате натурных исследований составляется отчетная документация, состоящая в общем случае из:

полевого отчета о составе и объеме выполнявшихся за отчетный период натурных исследованиях с приложением таблиц и графиков, включающих все полученные в процессе изысканий сведения. При длительных изысканиях полевые отчеты выпускаются ежегодно;

технического отчета, характеризующего все выполненные исследования (в том числе расчеты) и содержащего выводы по вопросам гидрологического режима, литодинамики и геоморфологии участка (с учетом данных за предшествовавший изысканиям период);

гидрологической записки, критически суммирующей все накопленные материалы — литературные, архивные, изыскательские и расчетные. К ним относятся также результаты лабораторных исследований. Записка должна содержать выводы, характеризующие с возможной полнотой гидрологический, литодинамический и геоморфологический режим объекта. В ней же приводятся прогнозы ожидаемых изменений режима, деформаций дна и берегов, заносимости акваторий и каналов, а также обоснованные предложения относительно протяженности и контуров оградительных сооружений, трасс и габаритов каналов и расположения района отвалов грунта.

§ 5. Состав работ по подготовке к исследованиям

5.1 Подготовка к натурным исследованиям состоит из следующих этапов:

• сбор и анализ имеющихся материалов по литературным и фондовым источникам в виде архивных документов и отчетов по инженерным изысканиям прошлых лет, в том числе морских и наземных карт и аэрофотоснимков;
• рекогносцировка объекта (в случаях, когда имеющиеся материалы не обеспечивают возможности составления достаточно обоснованной программы исследований);
• камеральная обработка собранных и полученных путем рекогносцировки материалов;
• ориентировочные эмпирико-теоретические расчеты параметров гидрологических элементов (как основы литодинамических процессов);
• составление предварительных соображений о наличии потока наносов, возможной заносимости акваторий и каналов и деформаций дна и берегов;
• сводка материалов, составление по ним предварительных выводов в форме записки и программы последующих натурных исследований с приложением морских и наземных карт.

§ 6. Сбор и анализ исходных материалов

6.1. Картографические материалы (гидрографические и топографические карты и планы, карты-схемы побережья, схемы береговой линии) изучаются с целью:

а) получения картины качественных и количественных изменений в очертаниях берега в историческом плане и за последние годы;

б) выбора надежной топоосновы для предстоящих натурных исследований;

в) выявления и оценки пригодности существующей планово-высотной опорной сети.

Выясняется система координат и высот пунктов планово-высотной сети и величины поправок: на суше — для перехода к Балтийской системе высот, на море — для перехода к нулям глубин, принятым Гидрографической службой, а на внутренних водных путях — к отсчетным нулям, принятым Службой пути.

Уточняются виды и объемы работ, которые необходимо выполнить в поле для обновления и пополнения имеющейся геодезической сети или для создания новых топографо-геодезических и гидрографических материалов.

6.2 По геоморфологии, геологии и литодинамике изучаются литературные и фондовые материалы, характеризующие:

• общее геологическое строение побережья и более детально — изучаемого района, генезис, тектоническую структуру, строение, состав и состояние коренных пород к рыхлых толщ;
• породы, могущие прийти в контакт с морской водой, и их способность подвергаться абразии;
• состав и физико-механические свойства, разрушаемость процессами эрозии обнаженных пород;
• береговые процессы (абразия, оползни, осыпи, карстовые явления, растаивание мерзлых толщ, солифлюкция);
• формы рельефа береговой зоны и полосы побережья;
• участки и скорость размыва дна и берегов;
• заносимость акваторий и каналов;
• динамику уровней подземных вод (желательно также направление течения, кривые депрессии, напор и фильтрационное давление, механическую и химическую суффозию, химический состав подземных вод и дебит береговых источников).

6.3. Основное назначение собранных гидрологических материалов — характеризовать динамику прибрежных вод: волнение, течения, колебания уровня моря и ледовый режим.

В состав гидрологических материалов входят в общем случае данные, характеризующие интенсивность и повторяемость следующих явлений на исследуемом участке или в пунктах-аналогах:

• климатических факторов, влияющих на разрушение горных пород и на ледовые процессы;
• ветра, по скоростям и направлениям;
• колебаний уровня моря (или речного рукава), включая характеристики приливов и сгонов-нагонов;
• волнения в открытом море и в береговой зоне, особенно штормов;
• течений открытого моря и их изменений в пределах береговой зоны и прибрежных течений, возникающих под воздействием приливов, ветров и волнений;
• течений и расходов воды в устье реки и на устьевом взморье;
• ледового режима (в отношении его влияния на литодинамические и геоморфологические процессы).

§ 7. Рекогносцировка побережья

7.1 Рекогносцировка при подготовке к изысканиям производится с целью:

а) выявления общих тенденций переформирования береговой зоны данного района;

б) определения подлежащих изучению факторов активного воздействия моря на сооружение и, наоборот, проектируемого сооружения на дно и берег моря (заносимость акваторий и каналов, подмыв дна у сооружений и деформации берега);

в) сравнения отдельных участков побережья и береговой зоны моря для выбора лучшего места и удовлетворения запросов предполагаемого строительства;

г) уточнения объемов и сроков изыскательских работ, границ подлежащих исследованию территории и акватории, видов и объемов изысканий;

д) рекомендаций по размещению пунктов и створов наблюдений;

е) оценки состояния и пригодности к использованию опорных знаков планово-высотной сети, створных знаков, наблюдательных вышек и других устройств;

ж) контроля качества имеющихся топографических и гидрографических планов;

з) контроля и дополнения имеющихся данных по геологической характеристике объекта.

7.2. Непосредственное обследование объекта в натуре для решения перечисленных задач может проводиться с применением методов инженерных изысканий или визуальными и полуинструментальными наблюдениями. Менее достоверным, однако допустимым в некоторых случаях, является опрос местных жителей («старожилов»), если они сами были очевидцами описываемых ими экстремальных явлений.

7.3. Изучение гидрологических факторов выполняется в соответствии с действующими наставлениями и руководствами [80, 81] и следующими дополнительными рекомендациями:

ветер измеряется с вышки анемометром на высоте не менее 8 — 10 м от поверхности земли на открытой площадке, не затененной близко расположенными строениями, лесом, холмами и т.п., согласно наставлениям ГУГМС [64];

волнение желательно наблюдать на волномерном посту, оборудованном волнографом и анеморумбографом, наблюдательной вышкой, перспектометром-волномером и буйками; желательно также применение аэрометодов;

течения изучаются на створах, характерных для перемещения наносов. Рейдовые наблюдения над течениями в тихую погоду или при небольшом волнении полезны на морях с приливами; на бесприливных морях они практически бесполезны, так как все переформирования дна и берега происходят при штормовом режиме.

Во время шторма рекомендуется заброс в море марлевых мешочков с краской (родамин или флуоресцеин). Это делают с помощью специально построенной пращи или катапульты. Краски для одного заброса достаточно 5 — 10 г, а для веса к мешочку привязывается грузик (гайка) весом около 50 г. Краска быстро образует хорошо видимое на воде пятно, за перемещением которого можно наблюдать или по створам, или по засечкам теодолитами.

7.4. Рекомендации по методам геоморфологических и литодинамических исследований, а также по наблюдениям за перемещениями наносов излагаются в соответствующих главах настоящего Руководства (III, VIII, IX).

§ 8. Камеральные работы

8.1 Камеральные работы при подготовке к исследованиям состоят из:

а) сопоставления собранных материалов;

б) предварительных эмпирико-теоретических расчетов;

в) составления пояснительной записки с предварительными выводами;

г) разработки программы последующих инженерных изысканий.

8.2. Помимо работ непосредственно по исследуемому объекту в состав камеральных работ может входить исследование материалов по другим уже изученным районам как аналогам исследуемого объекта.

Рекомендуется выбирать в качестве аналогов пункты, где следующие показатели мало отличаются от изучаемого района:

• характер колебаний уровня моря (приливных, нагонных, сезонных);
• геологическое строение и геоморфологическая характеристика;
• состав грунтов берега и донных отложений;
• уклоны прибрежного дна и аккумулятивные формы на нем (например, песчаные валы), наличие и состав наносов;
• экспозиция береговой линии в отношении господствующих ветров и волнений;
• параметры наиболее активных ветров, волнений и течений.

Поскольку режим и строение береговой зоны моря многообразны, то полного сходства показателей не бывает и использование аналога предполагает введение обоснованных коррективов к параметрам явлений на аналоге.

8.3. Существенным методом анализа деформаций дна и берегов является совмещение карт и планов, собранных за различные периоды.

8.4. Эмпирико-теоретические расчеты параметров гидрологических элементов, а также определение направления и объемов переносимых морем наносов, деформаций дна и берегов, заносимости акваторий и каналов следует производить в основном по официальным нормативным документам, в том числе по рекомендациям этого Руководства. Допускается также использование существующих научных теорий и гипотез. В последнем случае обязательно сопоставление с применяемыми расчетными методами.

8.5. Итоговым документом работ по подготовке к натурным исследованиям является пояснительная записка по выполненной работе, которая должна содержать материалы, достаточные, во-первых, для сравнения, анализа и заключения о степени пригодности обследованных участков для предполагаемого строительства по гидрологическим, геолого-геоморфологическим, литодинамическим и метеорологическим условиям; во-вторых, предварительные соображения о схеме расположения гидротехнических сооружений, о защите акватории и каналов от волнения, заносимости и влияния льдов, а также о защите береговой полосы и подводного склона от разрушения.

8.6. Составляется программа инженерных изысканий, в которой указываются задачи проектирования, границы районов, объемы, виды и методы производства работ, предполагаемые сроки их выполнения и представления отчетных материалов. К программе прилагаются сметно-финансовый расчет стоимости инженерных изысканий и рекомендуемый график выполнения работ.

Глава III. ГЕОЛОГО-ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПОБЕРЕЖЬЯ

§ 1. Геологическое обследование

1.1. Геологическое обследование в самом начале работ производится для выявления общих закономерностей геологического строения побережья, состава пород, тектонической структуры и для понимания физико-геологических процессов, как происходивших ранее, так и современных.

1.2. Результаты геологического обследования дают возможность наметить общее научное направление изысканий. В необходимых случаях для освещения неясных, но существенных для прогнозирования геологических процессов натурное обследование местности производится с применением геофизических методов разведки.

1.3. Рекомендуется охватывать геологическим обследованием полосу побережья (вдоль берега), включающую, по возможности, целиком области питания (в том числе устьевые участки долин впадающих в море рек), транзита и отложения наносов.

1.4. В результате геологического обследования составляется обзорная геологическая карта масштаба 1:50 000 (допускается 1:100 000) и геологические разрезы по характерным профилям. Карта, составляемая на готовой топооснове, служит основой для выполнения последующих геоморфологических съемок и морфо-литодинамических исследований.

1.5 При изысканиях на большой территории геологическими работами должно быть установлено:

• структурное строение территории, в частности локальные морфологические структуры, элементы залегания пород и наличие тектонических нарушений — трещин, разломов, сбросов разного возраста;
• тектоническое развитие территории (унаследованность тектонических движений, приуроченность к поднимающейся или погружающейся структуре или дифференцированный характер тектонических движений исследуемой территории);
• состав и возраст пород и отложений, слагающих дно и берега.

Общие сведения о структурном строении получают из литературы и фондовых источников или устанавливают по материалам специальных исследований (в основном геофизических), реже — по геоморфологическим признакам.

1.6. Для установления знака современных вертикальных движений побережья (погружение или поднятие) и их темпа (обычно миллиметры или доли миллиметра в год) рекомендуется использовать карту современных вертикальных движений земной коры Восточной Европы [33] или другие источники.

1.7. Состав коренных пород и новейших отложений изучается на основе анализа материалов имеющихся скважин, по естественным обнажениям, зачисткам и шурфовкам в клифе или в устьях выходящих к берегу оврагов и по бортам долин рек.

1.8. Детальность изучения геологического строения района и состава пород определяется задачами проводимых работ. В зависимости от этого число геологических выработок (шурфов, расчисток, скважин) на единицу площади будет различным.

При однородном составе пород и для детального изучения побережья достаточно 2 — 4 выработки на 1 пог. км, при рекогносцировочном описании число выработок можно сократить до 1 — 2 на 1 пог. км побережья. При сложном литологическом строении берегового уступа число выработок увеличивается в зависимости от частоты смены литологических горизонтов.

1.9. Для изучения состава и элементов залегания пород, обнажающихся в береговых уступах, чаще всего применяется линейное описание, реже — точечное или по сетке. При этом рекомендуется применять шурфование, расчистки, бурение.

При зондировке можно пользоваться шнековым бурением.

При шурфовках образцы отбираются послойно, точечным способом или бороздой.

1.10. Образцы с нарушенной структурой должны иметь вес до 1 кг, монолиты должны быть размером не менее 20 x 20 x 20 см.

Образцы пород тщательно этикетируются с указанием точного положения образца и даты отбора. Каждый образец регистрируется в специальном журнале.

1.11. На подводном береговом склоне состав коренных пород и современных отложений изучается по дночерпательным пробам, путем драгирования дна, а еще лучше — при непосредственном обследовании и взятии проб аквалангистами (легководолазами).

1.12. На пляже обычно отбирается средняя проба, состоящая из небольших порций (1 — 3 см толщиной) поверхностного слоя наносов, по всей ширине пляжа, а также пробы, взятые со всех характерных элементов рельефа и с полос различного состава на поверхности пляжа. При этом отмечается ширина зон отбора. Серия проб отражает средний состав наносов данного участка берега за период нескольких штормов разной силы, так как пляж является продуктом их совокупного действия.

§ 2. Применение аэрометодов при геолого-геоморфологическом обследовании

при геолого-геоморфологическом обследовании

2.1. Для решения многих вопросов геологии побережья, морфологии и динамики береговой зоны исключительно ценные материалы дают аэровизуальные наблюдения и аэрофотосъемка разных видов (плановая, перспективная, в лучах различной длины, нужных масштабов и с разной степенью перекрытия смежных кадров). По применению аэрофотометодов существует ряд руководств, из которых наиболее ценной для изучения берега и прибрежных мелководий является работа З.Н. Гурьевой и др. [18]. Здесь перечисляются лишь те вопросы, решение которых сильно облегчается или вообще становится возможным с применением аэрометодов.

Практически по всем побережьям морей СССР имеются материалы Государственных плановых аэрофотосъемок различных масштабов (1:10 000, 1:20 000 и др.), которые можно получить через организации ГУГКа. Однако при исследовании берегов целесообразно сделать специальные залеты и выполнить дополнительные съемки более крупного масштаба.

2.2. Каждое исследование полезно начинать с облета района изысканий. Наиболее пригодны для такой рекогносцировки тихоходные учебные самолеты. При этом следует сделать перспективные снимки наибольшего количества участков в разных ракурсах и по возможности с разных высот, применяя простейшие типы ручных аэросъемочных камер. Полученный материал, так же как и зарисовки в полевой книжке, дает много дополнительных важных данных к имеющимся крупномасштабным картам и позволяет уточнить планы и программу наземных маршрутов. Одновременно при рекогносцировочном полете намечаются места и масштаб необходимых плановых аэрофотосъемок, которые выполняются специальными организациями.

2.3. С самолета очень хорошо прослеживаются малейшие изгибы береговой линии, структура обрывов, оползни разных типов, план расположения дюн и относительные объемы сконцентрированных в них масс песка. При таких облетах и съемке удается подметить многие важные детали, как, например, асимметрию выступов береговой линии и пляжей, заполняющих промежуточные вогнутости. Это является дополнительным признаком преобладающего перемещения наносов. Поддаются фиксации также характер устьев малых рек, их отклонение по ходу берегового потока наносов, дельтовые накопления и др. Перспективные аэрофотоснимки являются весьма наглядными иллюстрациями к отчету по изысканиям, дающими обильную и перспективную информацию.

2.4. Еще более ценно прослеживание форм рельефа морского дна. С этой целью полет нужно выполнять в идеально тихую погоду (также без зыби) и при низком положении солнца (для уменьшения бликов). С самолета ясно просматривается рисунок подводных песчаных валов и смены оттенков грунта (песчаного, каменистого и др.). В случае дислоцированных слоистых толщ на дне хорошо прослеживаются многие структуры и удается фотограмметрическим способом замерить залегание коренных пород.

Отпечатки крупномасштабной плановой съемки при обработке стереометрическим или фотометрическим способом дают также возможность определения глубин и составления или корректировки батиметрической карты. В сочетании с данными морских разрезов получается наиболее точный и объективный материал, что особенно ценно для сопоставления с последующими повторными съемками в разные сезоны.

2.5. С самолета и на аэроснимках очень хорошо видно распространение мути вблизи устьев рек и участков размыва глинистых берегов. Повторные наблюдения и съемки такого рода в разные сезоны и при различных гидрометеорологических условиях дают общее представление о преобладающем перемещении водных масс и илистых взвесей, а также об участках или глубинных зонах их отложения.

В приливных морях с широкой илисто-песчаной осушкой (Белое и Охотское моря) залеты и съемка, выполнявшиеся каждый час, позволили составить детальную карту рельефа и состава грунта, что весьма затруднительно выполнить обычными методами.

Сложная сеть желобов стока и отмелей на осушке вообще не может быть заснята гидрографом. В данном случае аэрофотоснимки обрисовывают каждую изогипсу или серию изогипс с заданным интервалом отметок. Сказанное относится также к районам с отмелым дном и сгонно-нагонными явлениями большой амплитуды (Северный Каспий, северо-западная часть Черного моря, Азовское море и др.).

2.6. По материалам плановой аэрофотосъемки (контактные отпечатки и монтажи) следует для каждого района на разных участках установить признаки дешифрирования. Фотоизображение местности имеет на снимках различный тон (а при цветной съемке и цвет) и структуру, отражающие характер растительности, состав коренных пород и даже наносов и рыхлых отложений различного состава и условий залегания. При рассмотрении пар снимков в стереоскоп легко выявляется также характер форм мезорельефа, степень ровности растительного покрова, зоны различного увлажнения грунта и др.

2.7. Признаки дешифрирования разделяются на прямые, косвенные и комплексные.

К первым относятся очертания и размер изображения, а также рисунок теней отдельных объектов. Важный материал дает тон (цвет) изображения, но для использования этого признака съемка, тип и обработка пленки и ее печать должны быть произведены в стандартных условиях.

Косвенные способы заключаются в том, что о наличии определенных объектов и их размерах удается судить по характеру фотоизображения зависящих от них элементов. Например, характер растительности является показателем состава подстилающего субстрата (как на суше, так и на морских мелководьях). Рисунок дренажа мелких водотоков также дает представление о характере породы или составе наносов на широких морских аккумулятивных террасах, на широких осушках приливных морей. Так, например, заросли морской травы (зостера) свидетельствуют о песчаном дне, в то время как цистозира, фукусы, ламинарии (имеющие различный тон и микроструктуру изображения) растут только на каменистых участках дна, закрывая их иногда целиком.

Комплексные признаки дешифрирования дают возможность выделить ландшафтные единицы наземной части береговой зоны и подводного склона. К задачам изысканий иногда это имеет прямое отношение, так как определенный подводный или наземный ландшафт развивается при сходных физико-географических условиях. Применение комплексного способа в еще большей мере требует предварительного изучения на местности типовых участков.

2.8. Для получения наилучших результатов работы к аэрофотоснимкам должны предъявляться определенные требования, а именно:

1. достаточное перекрытие как по линии одного полета (60%), так и со смежными (40%). При съемке морского дна во избежание бликов перекрытие увеличивается до 70 — 75%;

2. достаточная контрастность и отсутствие технических дефектов (пятна, царапины);

3. желательно иметь два комплекта отпечатков и фотосхем, на одном из которых непосредственно оконтуриваются тушью границы изучаемых объектов;

4. необходимы копии паспортов залета (номенклатура трапеций, масштаб, время съемки, высота полета, тип фотокамеры, сорт фотопленок, светофильтр, атмосферные условия и др.).

Если аэрофотоснимок захватывает одновременно полосу суши и полосу акватории, то его негатив необходимо печатать дважды, подбирая выдержки отдельно для наилучшего изображения суши и морского дна (по этой причине предпочтительнее получать от аэрофотосъемочных организаций не только отпечатки и фотопланы, привязанные к координатной сети, но также и негативы).

2.9. Аэрофотоматериалы состоят из контактных отпечатков, репродукций накидного монтажа снимков и фотосхем (монтажей), представляющих мозаику из фотоснимков, обрезанных по четким контурам крупных изображенных на них элементов (во избежание заметных искажений масштаба), наклеенных на картон. Их преимущество — это возможность обзора большого района сразу.

Камеральная работа с аэрофотоматериалом ведется в определенной последовательности, и лучше всего ее начинать именно с фотомонтажей, учитывая, что признаки дешифрирования уже были намечены в поле несколькими маршрутами с аэроснимками в руках (полевой этап). Именно на фотомонтажах наносятся границы различных форм рельефа и районов их распространения. Параллельно для уточнения просматривают стереопары с помощью обычного настольного стереоскопа. Отмечаемые при этом детали также наносятся условными знаками на фотомонтаж или на кальку, на которую сняты с фотомонтажа основные контуры.

В результате такой работы вносятся коррективы и дополнительные детали в топографические планшеты и геоморфологическую карту. Для обнаружения мелких объектов рекомендуется делать отпечатки с увеличением или просматривать исходный материал с сильной лупой.

Если в распоряжении исследователя имеются два или более комплектов разновременных аэрофотоснимков, то на схеме, взятой с фотомонтажей, отмечаются все происшедшие изменения очертаний берега и дна. При изучении абразионных, быстро разрушаемых берегов, желательно применение стереоизмерительной аппаратуры, с помощью которой можно получить цифровые данные по процессам разрушения клифов, врезания оврагов, движения оползней и др. Морфометрические и морфографические данные по расчленению клифов, пляжей, песчаных форм на дюнных полях и др. получаются указанным путем с максимальной точностью.

§ 3. Инженерно-геологическая съемка береговой зоны

3.1 Цель инженерно-геологической съемки — более углубленное изучение пород, слагающих толщу, для выявления:

• природы и интенсивности некоторых береговых процессов (обвалов, оползней, карста и др.);
• способности пород, слагающих клиф, бенч, пляж и подводный склон и подвергающихся абразии и эрозии, поставлять материал для наносов;
• мощности и физико-механических свойств донных отложений, а также характера погребенного рельефа коренных пород.

3.2. Инженерно-геологическая съемка производится на участках побережья, намечаемых для строительства, а также в зонах питания наносов, при ширине полосы съемки до 2 — 3 км на побережье, а на акватории — до глубин намечаемого строительства сооружений, в том числе подходного канала, с охватом предполагаемой зоны интенсивного перемещения наносов. В этих целях инженерно-геологическая съемка дополняется буровыми работами на акватории. Рекомендуемый масштаб съемки — 1:25 000, а если необходимо, на отдельных участках — 1:10 000.

Для изучения рыхлых грунтов, слагающих береговой откос, пляж и подводный береговой склон, отбирают пробы грунта — на суше не менее 5 проб для каждой разновидности грунта, а донных отложений — не менее 20 на 1 км2. Производится гранулометрический анализ проб, а в отдельных случаях также минералогический и петрографический анализы.

3.3. За последние годы развиваются геофизические методы разведки. Из них могут быть с успехом применены, особенно на пляжах и в прибойной зоне, электрокаротаж, геолокация и сейсмопрофилография. Этими методами достаточно точно устанавливается толщина покровного слоя песчаных и илистых наносов и могут быть ориентировочно охарактеризованы мощность и плотность нижележащих слоев.

3.4. В процессе развития береговой зоны инженерно-геологические условия могут изменяться. Поэтому результаты инженерно-геологической съемки следует считать надежными в течение 15 — 25 лет. Возведение гидротехнических сооружений может значительно сократить этот срок.

§ 4. Гидрогеологическая съемка береговой зоны

4.1. Фильтрационное давление и источники подземных вод — одна из существенных причин разрушения клифов оползнями и местного обогащения потока наносов. Это обстоятельство определяет необходимость изучения гидрогеологического режима в случаях угрозы размыва клифов и пляжей. Гидрогеологическая съемка суммирует данные об уровнях, запасах и дебитах подземных вод, о направлении и скорости движения потока, кривых депрессий, дебите источников, напоре и фильтрационном давлении, механической и химической суффозии.

4.2. Для гидрогеологической съемки применяют обычно масштаб 1:25 000. Ширина полосы съемки — порядка 2 км.

§ 5. Геоморфологическая съемка побережья и состав морфо-литодинамических исследований в береговой зоне

морфо-литодинамических исследований в береговой зоне

5.1. Объектом наземной геоморфологической съемки являются формы рельефа в границах побережья. Важно зафиксировать как абразионные формы рельефа, так и аккумулятивные.

Расположение, строение и состав материала последних очень хорошо отражают общие закономерности динамики береговой зоны изучаемого района. В результате съемки и изучения различных аккумулятивных образований выявляется их происхождение и тенденция дальнейшего развития.

5.2. Целью геоморфологической съемки и комплекса морфо-литодинамических исследований в береговой зоне является выявление взаимосвязей процессов развития ее рельефа, а также характера взаимодействия и взаимовлияния воды и наносов и подстилающего субстрата (иногда и донных организмов). В результате устанавливаются типичные для данного района сочетания строения отдельных элементов рельефа и береговой зоны в целом, а также тенденция ее дальнейшего развития на основе выявления процессов динамики.

Соответственно указанным целям и задачам геоморфологическая съемка и морфо-литодинамические исследования включают большой комплекс работ, обеспечивающий решение инженерных задач.

Геоморфологическую съемку обычно предваряет маршрутное геоморфологическое обследование, которое дает общее представление о строении и динамике берега, а в ряде случаев позволяет уже на первом этапе исследований уловить тенденции дальнейшего развития береговой зоны.

5.3. В условиях береговой зоны, кроме разовых работ и обследований, необходимо производство ряда повторных и стационарных наблюдений. Повторные наблюдения (промер, контроль положения реперов на дне и берегу, сбор проб наносов) производятся ежесезонно, а также после каких-либо экстремальных природных явлений (обильный паводок, ветры штормовой силы, вызывающие нагоны и переформирование форм берегового рельефа, волнение свыше 5 баллов, катастрофические ливни). Для этого каждый раз к местам наблюдений выезжает специальный отряд с необходимым оборудованием.

При производстве стационарных наблюдений регистрируют изменения состава наносов и форм мезорельефа пляжа и зоны прибоя.

5.4 При производстве геоморфологической съемки:

• оценивают общий характер рельефа побережья и степень его обусловленности геологическим строением, литологическим составом пород (отложений), гидродинамическими и неотектоническими процессами;
• определяют и описывают основные типы берегов по участкам, преобладание на них различных процессов (например, абразии, аккумуляции, денудации, оползневых, эоловых и т.д.), пространственное расположение и ориентацию определенных участков берега;
• выясняют распределение, морфологию и общие черты динамики отдельных типов и элементов берегового рельефа: абразионных, денудационных, оползневых уступов (клифов) — интенсивность их разрушения и степень устойчивости. Описывают формы и очертания аккумулятивных террас, береговых валов, валообразных дюн, пляжей и т.д. При этом устанавливается степень и характер связи вещественного состава и других литологических характеристик наносов пляжа с аллювием рек и с породами коренного берега;
• устанавливают эффективность работы и влияние на природные процессы берегозащитных портовых и прочих гидротехнических сооружений;
• выявляют участки разрушения пляжа и берега с относительной оценкой темпа разрушения.

5.5. Геоморфологическую съемку или обследование желательно проводить повторно в различные сезоны года. После особенно сильных штормов редкой повторяемости (более 8 баллов) проводится повторное обследование сразу по окончании шторма для фиксации разрушений берега, пляжа и осмотр гидротехнических сооружений. Геоморфологическая съемка проводится группой из 2 — 3 человек, возглавляемой специалистом-геоморфологом-береговиком.

Для проведения работ необходимо простейшее снаряжение: рулетка (желательно 20 м), эклиметр, горный компас, фотоаппарат.

5.6. При больших запасах песка и достаточно сильном воздействии волнения на дне формируются подводные песчаные валы и гряды. Они могут встречаться как у абразионных, так и у аккумулятивных берегов. Изучение их форм и перемещений входит в программу геоморфологических и литодинамических исследований.

а. Виды и состав работ на абразионных берегах

5.7. Задачей изучения морфологии абразионного берега является измерение основных элементов его рельефа (морфометрия), выяснение приуроченности их к определенным литолого-структурным разностям коренных пород и отложений.

Для этого определяется высота клифа (абсолютная высота от уровня моря до бровки клифа) барометром-анероидом, тахеометрической съемкой, нивелированием или другим способом. При наличии крупномасштабных топографических карт высота клифа принимается по имеющимся отметкам или изогипсам.

Замеряются эклиметром или другим способом (например, деревянным транспортиром с отвесом) общий уклон клифа или откоса, а также уклон отдельных участков, если он имеет сложное строение.

Описываются и замеряются отдельные элементы рельефа клифа: осыпи, оползни (оползневые тела), вычисляется их объем. Одновременно фиксируется литологический состав слагающих их пород и производится отбор образцов.

Устанавливается наличие ниш, уступов, ступеней по поверхности клифа; измеряются их размеры и выявляется приуроченность к определенному типу пород и условиям их залегания.

Внимание, в частности, обращается на наличие, распределение и характер растительности. Последняя нередко является хорошим индикатором общего состояния (устойчивости) клифа или склона, выходов грунтовых вод, наличия оползней и недавних обвалов и т.д.

Тщательно обследуется также забровочная терраса, т.е. поверхность, простирающаяся от бровки клифа в сторону суши. Описывается общий ее характер (ровный, холмистый или иной) и рельеф, уклон (в сторону берега или обратный), наличие западин, озер, болот; степень и характер расчленения оврагами, балками, долинами рек. Дается характеристика растительного покрова, его состава и размещения. Описание забровочной террасы осуществляется в 500-метровой полосе, а при необходимости — в полосе до 1 — 2 км шириной.

5.8. Об интенсивности разрушения коренного берега обычно судят по свежести обнажений коренных пород (отложений) в береговом откосе. Береговой уступ со свежими обнажениями обычно считают активным; со слаборазвитым травяным или кустарниковым покровом (обычно с проплешинами и пятнами обнаженных пород) — относят к полуактивному (или полуотмершему) клифу, с заросшим густой травой, или кустарниками и деревьями склоном — к отмершему клифу.

Обрывистые берега без площадки бенча (или накоплений наносов) у их основания свидетельствуют не об абразии, а об исключительной устойчивости берега, на котором море при современном уровне не произвело никаких изменений.

Таковы гранито-гнейсовые берега Мурмана, многие участки берегов Японского моря, сложенных вулканическими породами. На Черном море к ним относятся обрывы вблизи мысов Айя, Ай-Тодор, Аю-Даг и многие другие участки Южного Крыма.

5.9. Наличие у подножья клифа значительного плаща осыпей свидетельствует о большом влиянии факторов денудации на разрушение поверхности клифа. Наоборот, крутой обрыв в нижней части клифа, а тем более наличие волноприбойной ниши, свидетельствует об активном абразионном характере разрушения. Окончательное суждение о характере разрушения клифа теми или иными процессами можно получить только после многократных повторных геоморфологических обследований. Шлейфы осыпей при сильных штормах полностью смываются и после однократного послештормового обследования может сложиться неточное впечатление о преобладании чисто абразионного разрушения клифа.

5.10. Исключительно ценные данные об интенсивности процессов разрушения коренного берега могут быть получены при повторной аэрофотосъемке одних и тех же участков берега. При этом, чем больше будет интервал между съемками, тем точнее будут определены необходимые величины. С этой целью могут использоваться только крупномасштабные аэрофотопланы (аэрофотосхемы) — от 1:10 000 и крупнее; в отдельных случаях при высококачественной съемке допустимо использование аэрофотосхем в масштабе 1:15 000 — 1:20 000.

5.11. При исследовании динамики абразионных, как впрочем, и всяких других берегов ценный материал дают повторные съемки (замеры), а также фотографирование определенных участков с одной и той же точки, которую необходимо зафиксировать на месте. Съемка производится фотоаппаратом одного типа.

Указанные наблюдения ведутся на ряде точек Южного берега Крыма с 1937 г. Они позволили уловить многие детали хода абразии у берегов, сложенных породами малой устойчивости и почти полную ненарушенность вулканических пород на участке Карадага [28].

Если берега имеют мелкое (зубчатое) расчленение, то одновременно с фотографированием производится съемка небольших типичных участков в крупном масштабе (1:200 — 1:500). Сопоставление результатов обоих методов дает очень четкую картину происшедших за данный срок изменений.

Повторные исследования клифа и пляжа необходимо проводить не менее 1 раза в сезон (весной, летом, осенью и зимой) и после каждого волнения силой свыше 3 — 5 баллов.

Для повторных замеров на исследуемом участке абразионного берега через 500 м, а при более сложном строении клифа — чаще разбиваются поперечники. Последние закрепляются постоянными реперами, устанавливаемыми на забровочной террасе (метрах в 50 от кромки клифа) и у подножья клифа, а также металлическими 1,5 — 2-метровыми штырями (диаметр 15 — 20 мм), забиваемыми на каждом литологически различимом горизонте (не реже чем через 5 — 15 м один от другого по створу).

Размещение створов на абразионном берегу должно быть таково, чтобы оценить всю его поверхность (особенно при наличии оползневых и обвальных явлений) и охватить типичные участки с различной скоростью разрушения.

По установленным створам в сроки, определенные программой и задачами исследований, проводятся нивелировки, замеры и топографические съемки, а при необходимости и повторный отбор образцов грунта. По полученным материалам составляются планы, совмещенные профили, определяются деформации склона и подсчитываются объемы его переработки.

Результаты повторных съемок сопоставляются с гидрометеорологическими данными за прошедший период, что дает возможность установить между ними определенную связь.

5.12. При абразии берегов, в сложении которых принимают участие глинистые породы, широко развиваются оползневые явления. На оползневых участках наиболее важное значение имеет установка и частый контроль за положением реперов, а также изучение физических свойств глинистого грунта.

При общем обследовании участка работ оползни обычно легко выявляются и им следует дать предварительное описание для постановки более точных исследований. Фиксация береговых оползней и их подвижки обычно производятся в составе инженерно-геологической съемки [21, 22].

На береговых обрывах и откосах бывают развиты оползни трех типов: блоковые, циркообразные и оползни-потоки. Абразия, подрезая основания и удаляя материал, поступивший к подножью обрыва (откоса), в большой мере усиливает, а иногда и вызывает оползневые явления на данном участке.

б. Виды и состав работ на аккумулятивных берегах

5.13. Задачей изучения морфологии песчаных аккумулятивных берегов является получение морфометрических данных о плановом распределении их основных элементов: пляжей, береговых валов, береговой дюны (авандюны), вилообразных дюн. К ним же следует относить и другие формы эолового рельефа (барханы, параболические дюны, холмы и пр.), развитые на побережье, так как в большинстве случаев они питаются (созданы) песком, сдуваемым с пляжа.

Особое внимание уделяется анализу рельефа аккумулятивных береговых форм.

Изучение морфометрии аккумулятивных форм берегового рельефа необходимо для выяснения новейшего развития побережья в целом или его отдельных участков. Сопоставление характеристик отдельных форм аккумулятивного рельефа (например, пляжа и авандюны) по участкам может служить надежным методом изучения процессов вдольберегового перемещения песчаных наносов, а следовательно, и динамики большого протяжения берега [9].

Если имеются нарастающие террасы с хорошо сохранившейся серией береговых валов, то по результатам их нивелировок можно судить о направлении современного вертикального движения (поднятие, погружение) берега. На поднимающихся берегах чем древнее вал, тем он выше. На погружающихся наоборот. Примеры таких исследований описаны в литературе [28, 59].

5.14 На аккумулятивных берегах измеряются:

• ширина и профиль пляжа;
• высота и ширина авандюны; ширина всей зоны эоловой аккумуляции песков (если вершина авандюны нечетко выражена в рельефе);
• размеры барханов, дюн, холмов и других форм эолового рельефа, их ориентировка (азимут продольных осей), крутизна склонов (наветренных и подветренных);
• размеры, глубина, ориентировка и крутизна склонов котловин выдувания (дефляции) в теле береговых дюн;
• размеры и ориентировка коридоров, образовавшихся в результате сквозного прорыва тела береговой дюны ветровым потоком (или нагонными водами).

5.15. За пляжем со стороны суши часто располагается аккумулятивная надводная терраса с береговыми валами или, как на Калининградском побережье, авандюна (или береговая дюна), идущая параллельно пляжу и генетически с ним связанная.

5.16. Массовое перемещение песка на морском берегу происходит неравномерно во времени и пространстве. На участках с преобладанием волнения и течений одного направления это связано, в частности, с образованием и медленным (десятки или сотни метров в год) прохождением вдоль берега по дну гряд и ритмически-перемещающихся песчаных отмелей [9]. На участке блокировки берега подводными грядами происходит местная аккумуляция с присущими ей признаками положительного баланса наносов на пляже и авандюне (увеличение ширины пляжа до 50 — 70 м, появление «эоловой подушки» у подножья авандюны, уменьшение крупности песка на пляже и авандюне).

На участке аккумулятивного берега, оказавшемся за пределами блокировки подводной грядой, начинают проявляться типичные признаки местного размыва: уменьшение ширины пляжа до 30 — 40 м (в отдельных случаях до 20 — 25 м), подмыв морского склона авандюны, относительное увеличение (по сравнению с соседними участками) крупности песка.

Описанные флуктуации уреза аккумулятивного берега, связанные с прохождением вдоль него распластанных песчаных гряд (на Южной Балтике со скоростью до 150 — 200 м в год) должны обязательно учитываться при геоморфологических исследованиях и находить отражение на геоморфологических схемах и планах.

Смещение вдоль берега локальных участков размыва и аккумуляции должно определяться путем повторного обследования. Абсолютные величины флуктуаций береговой линии и амплитуда изменения отдельных элементов рельефа могут быть установлены только путем длительных стационарных исследований.

5.17. Изучение пляжей является исключительно важным в исследовании рельефа береговой зоны. Ширина рельефа и состав наносов пляжа подвержены частым изменениям благодаря воздействию штормов разной силы, повторяемости, направлений и структуры. По существу пляж является индикатором тех изменений, которые происходят на подводном береговом склоне и на которые он очень чутко реагирует.

При достаточной ширине пляж является надежным естественным волногасителем даже при штормах до 7 — 8 баллов. Все это в целом заставляет уделить морфологии пляжей особое внимание.

5.18. Работа начинается с описания рельефа пляжа (ровная поверхность, наличие полос — площадок с уклоном в сторону моря и берега, береговых валов), на отдельных типичных участках выполняется нивелировка по поперечникам (от уреза до авандюны или подножья клифа).

Параметры (ширина, высота, уклоны) и состав наносов пляжей на размываемых или аккумулятивных берегах различны. Поэтому их измерение и изучение состава наносов могут дать представление о том, в каком состоянии находится данный участок берега.

У абразионных берегов пляжи значительно эже , круче и обычно сложены более крупным материалом, чем у аккумулятивных.

На абразионных берегах Калининградского побережья пляжи обычно имеют ширину от 5 — 7 до 15 — 20 м. На аккумулятивных участках берегов Балтики песчаный пляж расширяется от 20 — 25 до 50 — 60 м. На отдельных участках имеется значительная примесь гальки и гравия, особенно в приурезовой полосе.

На Южно-Крымском и Кавказском побережье Черного моря преобладают галечные пляжи. Благодаря сильному воздействию волн их ширина может достигать 60 — 80 м (Пицунда). У абрадируемых берегов ширина не превышает 20 — 30 м. Ширина Черноморских песчаных пляжей (Колхида, район Анапы, Восточный Крым) зависит от экспозиции и степени приглубости подводного склона. Она варьирует от 30 до 80 м.

5.19. На пляже кроме типичных проб наносов обычно отбирается еще «средняя проба», состоящая из небольших порций (1 — 3 см толщиной) поверхностного слоя, взятого со всех характерных элементов рельефа и типичных литологических полос поверхности пляжа. При этом отмечается ширина зон отбора. Средняя проба отражает средний состав наносов данного участка берега за период нескольких штормов разной силы, так как пляж является продуктом их совокупного действия.

5.20. При изучении динамики пляжа и участка берега в целом нередко осуществляется шурфовка пляжа в поперечном направлении от уреза к основанию клифа (или дюны).

5.21. На песчаных берегах важным дополнительным фактором рельефообразования является ветер (эоловые процессы). Под действием ветра формируются различные дюнные образования. Если преобладают ветры с моря, то аккумуляция песка на тыльной стороне и за пределами пляжа создает дефицит баланса наносов береговой зоны и иногда весьма существенный.

Если ветры преобладают с суши, то дюны обычно не развиваются или имеют малые и неправильные формы, как «кучугуры» Анапской пересыпи и других участков на северо-западе Черного моря, находящихся под воздействием северо-восточных ветров [1].

По береговым дюнам имеется обширная литература, начиная с классической работы Н.А. Соколова [84]. За последние годы процессы развития и отмирания дюн наиболее полно изучаются учеными Академии наук Литовской ССР [16].

5.22. О современном выносе песка с пляжа свидетельствует так называемая авандюна. Это — длинный песчаный вал с пологим склоном, обращенным к морю, и крутым тыльным. Авандюны можно считать временной формой, так как в зависимости от флуктуаций ширины пляжа и гидрометеорологического режима она может сокращаться в размерах и даже частично разрушаться. Авандюна является как бы промежуточным звеном между пляжем и дюнами на прибрежной низменности. При ее развевании дюны получают дополнительное питание. Если авандюна деградирует, то из этого следует, что уход песка с пляжа уменьшается.

На участках, испытывающих дефицит наносов, авандюна обычно слабо развита: ее высота не превышает 4 — 5 м при ширине обычно 40 — 50 м.

На участках деградирующего аккумулятивного берега обращенный к морю склон авандюны обычно подмыт и имеет значительную крутизну.

На стабильных и нарастающих участках авандюна хорошо развита. В условиях Южной Балтики ее высота колеблется от 8 — 9 до 10 — 12 м при ширине от 60 — 70 до 120 — 140 м. У подножья такой авандюны в тыльной части пляжа имеется зона свежей аккумуляции песка, так называемая эоловая подушка.

Отсутствие авандюны означает, что за последние годы или десятилетия пляж не только нарастает, но даже может суживаться.

5.23. За авандюной располагаются дюнные поля, структура которых уже создана только ветром (без участия моря). В зависимости от условий питания и состава песка возникают параллельные гряды в десятки метров высотой или так называемые параболические дюны, гряды, вытянутые вдоль преобладающего направления ветра, иногда барханы и др.

Параллельные берегу песчаные гряды, при достаточном питании, продолжают двигаться в глубь суши и при этом могут засыпать лес, дома и любые другие сооружения. Древесная растительность на переднем крае дюны обычно прекращает их движение.

Дюнные гряды и массивы представляют один из природных видов берегозащиты. В Польше, ГДР и других странах южных берегов Балтики и Северного моря дюны закрепляют растительностью. В СССР это практикуется в пределах Литовской ССР и там наблюдение за дюнами включается в программу изысканий и технических мероприятий. Наращивание дюн вызывается сооружением камышовых или хворостяных заборов. Они располагаются клетками и образуют ячейки, в которых аккумулируется песок. По мере нарастания поверхности грунта заборы подтягивают выше, и так несколько раз.

5.24. На участках сильного размыва берегов (по природным причинам или в результате постройки портовых молов) песок, накопленный в дюнных полях, является тем резервом наносов, который частично компенсирует потери и задерживает отступание берега.

Там, где разрушение дюн нежелательно, дюнные гряды и массивы или их подножье закрепляют искусственными сооружениями или прибегают к помощи бун.

5.25. Воздействие ветра существенно изменяет рельеф поверхности аккумулятивных террас и сильно затрудняет прослеживание береговых валов.

В сухом каспийском климате песчаные береговые валы вообще не сохраняются. На их месте образуются неправильные бугры, разделенные котловинами дефляции (развевания), а иногда формируются мелкие барханы. Ход и стадии происходящих эоловых процессов хорошо дешифрируются на аэрофотоснимках. Иногда удается при этом выделить крупные зоны преимущественного накопления песков, соответствующие различным положениям уровня моря [49].

На Балтике прибрежная терраса быстро зарастает кустарником. Береговые валы, хотя и остаются на своем месте, но превращаются в «валообразные береговые дюны». По их расположению, однако, можно устанавливать направление и фазы роста данной аккумулятивной формы.

5.26. При изысканиях для гидротехнического строительства в районах развития дюн главным вопросом является степень влияния эоловых процессов на бюджет наносов. Важно выяснить, происходит ли потеря пляжевых песков, уносимых ветром на авандюну и за ее пределы, или дюны законсервированы, или возможен обратный процесс — поступление с дюн на пляж дополнительных количеств песка. Эти вопросы решаются в первом приближении геоморфологическим обследованием и сопоставлением данных по литологическим свойствам (крупность, окатанность, минеральный состав) песков дюн и пляжа. Однако решающее значение имеет фиксация режима повторными наблюдениями в течение хотя бы одного года. Для этого, так же как и на абразионном берегу, разбиваются стационарные створы и поперечники, закрепленные реперами (постоянными и временными).

Створы, перпендикулярные береговой линии, должны проходить через пляж и через всю зону эоловой аккумуляции с захватом примерно 50 — 100 м полосы территории, расположенной за авандюной.

Котловины выдувания и дефляционные коридоры, пересекающие дюны, должны покрываться сетью реперов, густота которой определяется местными условиями и, прежде всего, размерами котловин и коридоров.

5.27. По материалам повторных или стационарных исследований строятся совмещенные профили и вычисляются объемы штормовой переработки пляжа и нарастания или разрушения берега, устанавливается зависимость величины и характера деформаций от конкретных гидродинамических условий для прогнозирования дальнейших изменений.

Геоморфологические наблюдения и съемка в данном случае дополняются характеристикой и анализом закрепляющей роли растительности.

5.28. Развитие надводной части береговой зоны и особенно пляжа в большинстве случаев предопределено строением и изменениями подводного берегового склона [26]. Изучение последнего имеет поэтому очень большое значение. В частности, на основе изучения состояния покрова отложений на дне (состав, пространственное распределение, мощность слоя) можно с большой вероятностью прогнозировать ожидаемые изменения (при определенных гидрометеорологических условиях) на берегу [54].

Общее представление о строении подводного берегового склона и распределении на нем наносов (до глубин 10 — 15 м) можно получить по аэрофотоснимкам, особенно при специальной съемке дна. Материалы аэрофотосъемки помогают также правильно наметить и разместить положение промерно-грунтовых галсов.

5.29. На подводном склоне песчаных берегов очень часто развиваются почти параллельные берегу серии валов, возвышающихся иногда до 3 м над поверхностью дна. Число валов редко превышает три, но в отдельных случаях их бывает до шести. Ширина зоны развития валов у отмелого берега достигает полукилометра и более, а наиболее удаленные из них наблюдаются на глубине 5 — 6 м. Положение валов изменяется после сильных штормов, но затем при действии обычных волнений они восстанавливаются и занимают свое прежнее положение. Если берег по каким-либо причинам выдвигается или отступает (например, вблизи портовых сооружений), то вместе с ним сдвигается и вся система валов, сохраняя взаимное расположение и основные морфологические черты.

5.30. Значение подводных песчаных валов для развития рельефа и литодинамики береговой зоны весьма велико. Наличие и расположение валов имеют также значение для навигации и гидротехнического строительства. Доказано экспериментально [2] и данными долговременных наблюдений, что по гребням валов при преобладающих волнениях происходит основное вдольбереговое перемещение песка (в отличие от галечных пляжей, где перемещение идет преимущественно у приурезовой полосы).

Во время и после сильных штормов валы вытягиваются почти прямолинейно, но в периоды обычного волнения и при участии «разрывных» течений ближние к берегу валы преобразуются и приобретают в плане волнистые очертания с понижениями и повышениями гребня.

Отмечено также, что во время волнения небольшой силы и высоких скоростей вдольбереговых течений основная масса песка может транспортироваться не по валам, а по разделяющим их ложбинам, на которых формируются тогда поперечные гряды.

При промере и отборе образцов грунта изучению валов должно уделяться большое внимание и, в частности, должны проводиться повторные послештормовые промеры.

в. Особенности изысканий на берегах приливных и замерзающих морей

5.31. Воздействие достаточно высоких (более 1 м в сизигию) приливов накладывает на строение береговой зоны существенный отпечаток и вносит в ее рельеф новый элемент в виде «осушки» той или иной ширины. Нижние горизонты осушки могут быть покрыты илом. Во время колебания уровня моря зона максимального воздействия волн кочует по профилю, причем большую часть времени за лунный цикл она приходится на уровни квадратурных прилива и отлива. Детали строения профиля во многом зависят от соотношения величины прилива и параметров штормовых волн данного участка [25, 60].

5.32. При обычных уклонах прибрежного дна абрадирующий материал (грубые наносы) бывает прижат к урезу, и поэтому подножье клифа чаще всего приурочено к линии квадратурного прилива. Ниже располагается обычный пляж. В зависимости от запаса наносов и их гранулометрического спектра пляж может быть разделен на две части так, что мелкие наносы концентрируются ниже уровня квадратурного отлива, образуя часть осушки.

5.33. В результате исследования должны быть выяснены источники поступления наносов на осушку (абразия берегов, речные выносы, поступление эоловых наносов), возможные их потери на уход вдоль берега и за пределы береговой зоны в открытое море, а также дана приближенная оценка общего объема «иловой пробки», которая создается и поддерживается приливами в узких заливах или устьях рек. (Значительная часть иловой массы будет осаждаться в огражденных акваториях).

5.34. В последующих полевых маршрутах должно отмечаться и наноситься на карту распространение илистых накоплений на осушке, определяться их мощность, положение поверхности ила относительно уровня воды и условия его равновесия. Последнее зависит от степени укрытости данной бухты или вогнутости берега, близости источников материала и пр. Мощность илистых отложений определяется щупом, торфяным буром или примитивной трубой с наконечником. Если мощность илов превышает 2 м, то в нескольких точках желательно провести бурение с плота.

В тех местах, где требуется установить скорость нарастания илистой («няша») или тонкопесчаной («лайды») осушки (или полосы нагонов), рекомендуется применять метод маркирующего слоя. Для этого на площадке в 1 м2 рассыпают тонким слоем индикатор значительно большей гидравлической крупности, чем природный нанос. Для этого можно использовать железные опилки, сурик и даже мелкую дробь. Если эксперимент проводится на верхней части осушки, покрытой растительной дерновиной, то последнюю срезают, а затем, засыпав индикатор, помещают обратно. Через год или больший срок на месте заложенной площадки берут пробу торфяным буром или иным простым трубчатым снарядом и замеряют толщину отложившегося осадка.

При поступлении глинистых частиц с разрушаемых береговых обрывов следует определить их содержание в общей массе породы, высоту обрывов и скорость их разрушения. Последнее выполняется повторными наблюдениями за достаточно длинный срок (не менее 1 года) по специальной методике.

5.35. На большинстве морей СССР (кроме Черного) некоторую роль в динамике береговой зоны играет лед. Во время сильных ветров с моря, обычно в весеннее время, могут происходить интенсивные подвижки припайных льдов, вследствие чего лед выжимается на берег, торосится и образует валы («наторы») высотой иногда в несколько метров через пляж и по плоской поверхности террасы. Если на его пути имеются крупные валуны, лед захватывает их и выпахивает глубокие борозды в поверхности наносов, отмечая тем самым пройденное расстояние.

Ледяные наторы известны в Керченском проливе и на берегах Азовского моря. Весьма разрушительными они бывают на берегах Эстонской ССР как со стороны Рижского, так и Финского заливов. Движущийся лед уничтожает строения и любые сооружения, стоящие на его пути, срезает деревья.

При любых изысканиях следует собирать у местных жителей сведения о действии льда, а также прослеживать ширину его распространения по морфологическим признакам на пляже и в прибрежной террасе. При этом следует иметь в виду, что за период открытой воды волны сглаживают все неровности, созданные льдом, и поэтому желательно проводить работы в раннее весеннее время. В местах, подверженных ледовым наторам, при проектировании следует учитывать возможные нарушения льдом и при компоновке сооружений избегать вертикальных внешних плоскостей и резких входящих углов. Возводить какие-либо строения можно также лишь за пределами возможных ледовых наторов.

На гидротехнические сооружения, вмерзшие в припай, сильное воздействие оказывают температурные деформации льда в течение зимы, изломы припая по трещинам и наклоны поверхности примерзшего льда. Особенно заметны эти деформации в районе границы примерзшего ко дну льда.

5.36. При работах на берегах полярных морей приходится сталкиваться со специфическими явлениями «термической абразии». Последняя связана с воздействием атмосферного воздуха, инсоляции и относительно теплой (выше нуля градусов) морской воды на вечномерзлые породы и ледяные жилы. Абразия вечномерзлых берегов происходит иногда с исключительной быстротой [15].

Явления, связанные с растаиванием вечной мерзлоты, происходят и на морском дне до значительных глубин. В рельефе дна образуются своеобразные борозды на месте ледяных жил. Необычным иногда является и покров дна — илы у берега и пески на большой глубине [37].

5.37. При производстве изысканий на берегах некоторых районов Дальнего Востока (Берингово море, Восточная Камчатка, Курилы, Восточный Сахалин) следует учитывать возможность подхода волн «цунами», которые возникают в открытом океане при сильных землетрясениях. Ширина цунами — опасных зон приближенно может быть определена по выбросам плавника, а также путем опросных сведений и анализа архивных документов. Высота волны цунами во многом зависит от конфигураций бухтовых и экспозиции открытых участков побережья. Высота вката волны цунами определяется в большей мере уклоном прилегающей суши, а также рельефом морского дна далеко за пределами подводного берегового склона [30].

г. Общие признаки существования потоков наносов и способы их обнаружения

5.38. При геоморфологической съемке и исследованиях динамики берега важно выявить источники поступления наносов в береговую зону, направление и расстояние, на которое эти наносы перемещаются, и условия их отложения.

Первые соображения по данному вопросу можно получить уже при анализе топографических и гидрографических карт. У бухтовых берегов потоки наносов, если и существуют, то они всегда направлены к вершинам бухт. У ровных или слабо изогнутых берегов потоки могут существовать, если мысы не обрываются крутым откосом на большую глубину и в береговой зоне вообще имеются значительные запасы подвижного материала.

Конфигурация бассейна и самые общие данные о преобладающих ветрах дают возможность составить представление о существовании потоков и направлении их эволюции. Например, удлиненные очертания Черного, Балтийского и Каспийского морей как бы подсказывают возможность формирования потоков наносов вдоль берегов их длинных сторон. На Азовском море, где господствуют северо-восточные ветры, можно предположить наличие потоков соответствующего направления.

Полученные соображения контролируются строением береговой зоны — наличием изгибов берега, расположением и очертаниями аккумулятивных форм и др.

5.39. Определение вещественного состава наносов, в случае нахождения в них какого-либо характерного компонента и прослеживание его распространения, показывает возможную длину потоков.

Например, на Кавказских галечных пляжах природным индикатором длины потока явился белый гранит выносов р. Шахе. В 1947 г. его распространение удалось проследить до оконечности м. Пицунда. В 1965 г. белые граниты уже не удалось обнаружить южнее устья р. Псоу. Это явным образом связано с изменением структуры береговой зоны за истекшие 18 лет. Сказалось строительство молов Сочинского порта и громадные изъятия пляжевого материала. В результате поток наносов был прерван. Те обломки, которые находились южнее р. Псоу, были унесены к м. Пицунда и оказались захороненными у подножья крутых подводных откосов.

Длина песчаных потоков таким же образом распознается по наличию характерных минералов или их комплексов (Западный Каспий), а иногда по характерным включениям. Их примером являются известковые конкреции («журавчики») в западной части Черного моря. Журавчики формируются в толще четвертичных глин и разносятся по пляжу. Они дошли от Будаков до Жебриянской косы (у дельты Дуная). Они же распространились к востоку от абрадируемого берега между косами Тендра и Джарылгач.

У берегов Юго-Восточной Балтики использованы два природных индикатора: янтарная крошка и зерна минерала глауконит. Оба содержатся лишь в третичных породах Самбийского полуострова (Калининградская область). Прослеживая их распространение, удалось установить, что поток песчаных наносов от указанного источника прежде доходил до вершины Рижского залива. Однако впоследствии он был прерван благодаря формированию выступа м. Колкас у входа в Рижский залив [90].

5.40. Реверсивный характер приливных течений усложняет процессы вдольберегового перемещения песчаных наносов, но итог процесса все же зависит от преобладающего направления волн. Кроме того, в устьевой части приливных эстуариев и фиордообразных бухтах возникают течения особого типа, которые иногда называют «гидравлическими». В полную воду акватория бухт заполняется за максимальную емкость и наступает затишье. Обратное течение становится тем сильнее, чем быстрее происходит изменение уровня. Максимальным (до нескольких узлов) оно бывает в фазу средней воды.

5.41. Изучение изменений вещественного и минералогического состава наносов имеет большое значение еще и потому, что определенные минералы и их сочетания (комплексы) могут быть характерными для небольшого участка поступления. В таком случае, прослеживая содержание минералов в пробах, удается установить расстояние и направление их перемещения. При этом, однако, нельзя забывать, что скорость процесса, и даже направление перемещения для материала разной крупности существенно различны. Как указывалось выше (п. 2.7 гл. I), песок и галька, например, могут идти в разные стороны на одном и том же участке. Тем более это относится к илистым частицам, которые переносятся в направлении преобладающего течения, независимо от характера и направления волнения.

Примерами успешного применения данного метода могут служить Западный Каспий [65], Восточная Балтика [90], район Пицунды [19]. В последнем случае Пицундский мыс разделяет две различные провинции песка разных источников.

5.42. Для прослеживания изменения состава гальки по ходу потока наносов составляется набор всех видов пород данного пляжа, а также галечного аллювия горных рек и коренных обнажений на берегу. Для стандартизации сбора материала на пляже применяют квадратную металлическую рамку со стороной 0,5 м. Ее помещают на данный участок и метят мелом или краской весь поверхностный слой галек. Затем собирают пробу и определяют процентное соотношение камней в основном визуально, раскалывая при этом каждую гальку молотком.

В условиях Кавказского берега Черного моря такая коллекция насчитывает до 100 видов различных пород. В других случаях она обычно бывает меньше. Если попадаются специфические типы пород, характерные для одного источника, то рекомендуется делать из них шлифы и описывать данную породу, пользуясь поляризационным микроскопом.

Изучение собранного материала позволяет установить направление и расстояние, на которое переместилась галька, ареал диффузии, а также долю выносов данной реки в общем составе пляжевого материала. Наиболее детальное исследование подобного рода выполнено А.Г. Кикнадзе [36].

5.43. Вещественный состав песчаных фракций крупнее 0,25 мм обычно бывает весьма однообразен и изучение его изменений производится под бинокуляром.

При этом легко подсчитать относительное количество (в %) зерен кварца, полевого шпата, обломков пород разных типов, осколков ракушки и других скелетных частей организмов, а также химических образований (известняковые солиты на Каспии), если таковые присутствуют.

В составе мелких фракций (0,25 — 0,05 мм) концентрируются весьма разнообразные тяжелые минералы. Их выделение производится иногда электромагнитным (или магнитным) способом, которым извлекаются многочисленные минералы, содержащие железо. Для более детального изучения небольшая навеска разделяется на легкую и тяжелую фракции в жидкостях высокого удельного веса. Применяется иногда центрифугирование еще более мелких фракций. Уже одно только определение содержания тяжелой фракции может в ряде случаев иметь важное диагностическое значение.

Что касается минералов, илов и глин, то их определение производится путем рентгеноструктурного или химического исследования, а иногда с помощью электронного микроскопа. По всем указанным способам имеются специальные руководства.

д. Составление геоморфологических и морфодинамических карт

5.44. В результате геоморфологической съемки, помимо текстового описания встреченных форм, составляются геоморфологические и морфодинамические карты-схемы побережья масштаба 1:25 000 или 1:10 000. Для детальных исследований желателен более крупный масштаб.

Морфодинамическая карта-схема служит основой для составления программы гидрологических изысканий и литодинамических исследований и уточняется впоследствии их выполнения. Пример составления схематической геоморфологической карты дан на рис. 15, морфодинамической карты-схемы — на рис. 16.

Рис. 15. Схематическая геоморфологическая карта побережья:

1 — абрадируемые клифы; 2 — отмершие клифы; 3 — современные новокаспийские аккумулятивные формы; 4 — бенч; 5 — аккумулятивный подводный склон; 6 — древнекаспийские террасы (а — аккумулятивные, б — уступы, в — абразионные); 7 — аллювиальные равнины; 8 — эоловые формы на Апшеронском побережье; 9 — лагуны в разных стадиях усыхания; 10 — конусы выноса; 11 — эрозионно-тектонические склоны горных хребтов; 12а — потоки наносов; 12б — отложение материала из потока; 13 — местные подвижки наносов; 14 — поступление материала в береговую зону (а — аллювий, б — донный материал)

Рис. 16. Морфодинамическая карта-схема побережья:

1 — надводные аккумулятивные формы (а — сложенные мелкообломочным материалом или без подразделения, б — сложенные крупнообломочным материалом); 2 — береговые валы на поверхности надводных аккумулятивных форм; 3 — эоловые образования; 4 — осушки (а — илистые, б — прочие); 5 — реликтовые подводные аккумулятивные формы; 6 — подводные валы (а — один, б — два, в — три); 7 — уступы размыва на аккумулятивных формах; 8 — зоны размыва аккумулятивного подводного склона; 9 — клифы (а — активные, б — отмершие); 10 — обвально-осыпные формы; 11 — обвально-оползневые формы; 12 — бенч в скальных породах; 13 — камни (а — подводные, б — надводные); 14 — современные потоки наносов; 15 — потоки наносов, существовавшие в прошлом; 16 — дивергенция потоков наносов; 17 — миграции наносов; 18 — тенденции к перемещению наносов; 19 — поступление материала за счет разрушения берега; 20 — поступление материала к берегу

5.45 На морфодинамических картах приняты специальные условные обозначения [44]:

Абразионные обрывы обозначаются черными треугольниками. Белые треугольники показывают, что клиф в настоящее время «отмер» и абразия на данном месте прекратилась вследствие формирования достаточно широкой аккумулятивной террасы. Пляжи и аккумулятивные береговые формы на картах малого масштаба обозначаются точками. При крупном масштабе можно показывать отдельно песок, гальку и валуны (черные кружочки). Бенч на берегу и под водой изображен условным знаком слоистой горной породы. Подводные накопления наносов также показываются точками.

Главным содержанием подобных карт-схем и карт являются обозначения перемещения наносов. Двусторонние миграции показываются двумя параллельными стрелками, которые смотрят в разные стороны. Потоки наносов изображаются стрелками на всю их длину (в пределах схемы), причем мощность потоков, которая может быть различной на разных участках, показывается толщиной стрелки. Короткими стрелками показаны различные пути поступления наносов к берегу или на подводный склон из материала, возникающего при абразии или выносимого реками. Потери материала из потока также фигурируют на схеме в виде стрелок. Материал или аккумулируется у берега, строя широкие пляжи и аккумулятивные формы, или уже уходит вниз за пределы подводного склона по крутым откосам, а также в вершины подводных каньонов.

Важным элементом морфодинамических схем и карт является показ береговых валов на поверхности аккумулятивных форм. Почти всегда их плановое очертание свидетельствует о направлении подачи материала и неоднократных перестройках аккумулятивного тела (размывы на одних участках и нарастание на других). На песчаных формах бывшие береговые валы могут быть изменены (перевеяны) ветром, что показывается особым знаком. Однако даже эоловые формы часто сохраняют прежнюю ориентировку.

5.46. Кроме перечисленных основных, в зависимости от местных условий, могут быть введены дополнительные знаки, отражающие те или иные процессы инженерного значения (береговые оползни, явления солифлюкции, отдельные водотоки или частота их распространения, подводные валы и гряды и др.). На картах-схемах может быть дифференцирован характер залегания и состав коренных пород и многое другое.

5.47. На схемах и картах показываются также равнодействующие волнового режима (определенные по волно- или ветроэнергетическому методу) и преобладающие направления штормовых течений при ветрах от разных румбов. Даются хотя бы несколько изобат, подчеркивающих уклоны и ширину прибрежной отмели (подводный склон), наличие банок, а также глубоких депрессий, среди которых важно локализовать вершины подводных каньонов.

5.48. Приведем несколько конкретных примеров реконструкции хода образования аккумулятивных форм. На косе Чушка (Керченского пролива) ориентировка береговых валов ее тыльной стороны меняется от древних (вблизи корня косы) до современных у ее дистального конца (рис. 17). Внешний берег срезал бывшие продолжения валов в сторону моря, что явно свидетельствует об отступании тела косы одновременно с ее удлинением. Единственной причиной отступания может являться абразия полуострова и м. Ахиллеон, к которому она примыкает.

Рис. 17. Эволюция аккумулятивных форм:

а — коса Чушка в Керченском проливе; б — берег Западного Крыма

Пока коса была короткой, на перемещение вдоль нее наносов воздействовал достаточно широкий спектр волн с акватории Азовского моря. По мере выдвижения ее оконечности в Керченский пролив северное направление волнения становилось преобладающим, отчего валы изменили свою ориентировку.

Исследование материала косы [10] показало, что кроме цельной и битой ракуши, а также материала абразии мыса, коса состоит из мелкого серого песка, тождественного аллювию р. Кубани. Таким образом, это исследование одновременно доказало существование потока наносов (преимущественно донного), идущего вдоль северного берега Таманского полуострова на запад. Выводы из проведенных исследований позволили рекомендовать для защиты берега косы серию бун, что и было успешно осуществлено [99].

Интересен анализ сложных (полигенетических) аккумулятивных форм. На рис. 18 изображена перейма у восточного берега Авачинской губы на Камчатке [26]. Древние береговые валы показывают, что вначале в этом месте нарастала широкая коса, причем ориентировка ее края менялась по мере отступания м. Утес. Одновременно вторая коса формировалась от небольшого мыса о. Изменный. Две эти формы соединились на участке абразионного останца («кекура»), отмеченного на схеме крестиком. После этого пролив оказался перекрытым «переймой».

Рис. 18. Сложная аккумулятивная форма в горле Авачинской губы:

1 — древние береговые валы

Перераспределение материала вдоль ее периметра привело к срезанию части прежних береговых валов косы, за счет чего сформировался гладкий полукруглый контур аккумулятивного тела. Весь его южный край продолжает нарастать, как об этом свидетельствует серия молодых валов, параллельных береговой линии. Одновременно стала происходить аккумуляция наносов с северной стороны бывшего пролива, где создана собственная генерация невысоких береговых валов под действием слабых волн внутренней акватории Авачинской губы.

В заключение рассмотрим исключительно сложную галечную форму м. Амьяк в Беринговом море. Эта двойная окаймляющая коса получает двустороннее вдольбереговое питание с чередующейся интенсивностью. Рисунок береговых валов исключительно сложен, но на его основе удалось восстановить ряд фаз развития косы (рис. 19). Можно заметить, что при смене направления преобладающего питания наносами, море срезало поочередно то левую, то правую сторону общей аккумулятивной формы.

Рис. 19. Сложная аккумулятивная форма (выступ с чередующимся двусторонним питанием) м. Амьяк по Каплину:

а — современное расположение береговых валов и лагун; б — первая фаза — рост косы при питании слева; в — фаза преимущественного питания справа (точками покрыта срезанная часть косы); г — вторая фаза питания с левой стороны и соответствующее изменение ориентировки оконечности выступа; 1 — контур современного очертания выступа, где снова преобладает правостороннее питание и оконечность косы частично срезана

Несмотря на большую площадь описанных аккумулятивных форм и соответствующий объем заключенных в них наносов, процессы их нарастания и перестройки происходили при современном уровне моря, т.е. охватывали период не более 2 — 3 тысячелетий.

5.49. Анализ карт описанного типа, составленных по наблюдениям, дает представление о режиме береговой зоны в целом и по отдельным ее участкам. Однако намного ценнее становятся подобные карты, если хоть часть элементов получает на них впоследствии численное выражение на основе длительных повторных наблюдений, а также путем сопоставления карт или аэрофотосхем, составленных в разные периоды. При этом количественно могут быть определены скорость отступания обрывов (и соответственно объемы поступающих в море наносов), во многих местах также твердый (пляжеобразующий) сток рек.

К сожалению, мощность вдольбереговых потоков и миграций наносов поддается лишь относительному определению. Ее абсолютная величина может быть определена точнее лишь после постройки сооружения. Тем не менее «прикидочные данные» весьма полезны, ибо лишь на основе большого сравнительного материала (что предсказывалось и что оказалось на самом деле) растет обоснованность прогнозов и опыт изыскателей.

е. Состав и методы литодинамических исследований

5.50. При исследовании режима поступления наносов на различных участках изучаются следующие литодинамические процессы, протекающие в береговой зоне:

а) поступление наносов извне (выносы рек, выброс со дна моря, эоловый перенос);

б) образование наносов в результате абразии береговых обрывов и морского дна, эрозии клифов;

в) транзит наносов вдоль берега и необратимый уход их на глубину за пределы берегового подводного склона;

г) истирание крупнообломочного материала под действием волнения;

д) аккумуляция наносов, приводящая к образованию донных и береговых аккумулятивных форм;

е) задержание и накопление наносов гидротехническими сооружениями (буны, молы, каналы и т.п.);

ж) формирование и амплитуда перестроек профиля береговой зоны.

5.51. Перечисленные процессы вызываются действием гидрологических факторов, поэтому изучение и тех и других должно вестись взаимосвязанно. Некоторые процессы в общем виде изучаются путем моделирования на специальных установках (лотки и бассейны с воднопродукторами), а также путем теоретических расчетов. Однако до настоящего времени закономерности литодинамики береговой зоны изучены недостаточно и их прогнозирование затруднено.

Поэтому, в частности, широко применяются косвенные расчеты и метод аналогий с хорошо изученными участками в сходных физико-географических условиях.

5.52. В результате совместных гидрологических и литодинамических исследований должны быть получены сведения, достаточные для:

• выявления режимных изменений профиля береговой зоны в количественном выражении;
• установления роли наносодвижущих факторов (волн, течений и др.) и преобладающего направления их действия в целях выбора места и оптимальной ориентировки возводимых сооружений с учетом их назначения;
• определения и прогнозирования изменений в режиме наносов и берегов после возведения сооружений;
• изыскания наиболее эффективных способов борьбы с заносимостью искусственных акваторий, а также с размывом берегов.

5.53. Места и границы участков наблюдений над перемещением наносов выбираются на основании геоморфологических и морфодинамических карт (или карт-схем).

При этом желательно соблюдение следующих дополнительных требований:

• участок морского берега для натурных экспериментов должен иметь простые очертания и однородные грунты по всей длине, устойчивые профили и уклоны дна, а также одинаковую в пределах участка экспозицию действия волн и течений. Изменение указанных условий ограничивает условия эксперимента;
• если на участке имеются гидротехнические сооружения или мысы, бухты и т.п., нарушающие однородное движение наносов, то следует учитывать тенденции к местным переформированиям дна и берегов.

5.54. Выбор способов производства исследований зависит от времени, запланированного на изыскания, и от материально-технического оснащения.

В лучшем случае исследования на подводном береговом склоне ведутся со специально построенных эстакад, площадок, подвесных канатных дорог, а также с использованием самолетов и вертолетов. Обычно такие исследования производятся или с берега, или с судов, имеющих небольшую осадку.

Исследования с судов вблизи берега возможны только при сравнительно небольшом волнении, поэтому при необходимости фиксации явлений, протекающих в береговой зоне во время шторма, надо использовать другие возможности.

В особо сложных и ответственных случаях строят опытные сооружения — опытные прорези, опытные буны и берегоукрепления, имитирующие работу будущих сооружений, иногда организуют опытные свалки грунта, сооружают участки искусственных пляжей и ведут наблюдения за состоянием, заносимостью или размывом этих объектов.

5.55. Специальные наблюдения за перемещением наносов в пределах береговой зоны производятся с помощью индикаторов, т.е. маркированных специальным составом наносов (песка, гальки). Направление перемещения и расстояния, которые проходят наносы, изучаются также прослеживанием распространения на пляже и подводном склоне обломков характерных горных пород или минералов.

5.56. Истирание гальки изучается путем прослеживания изменений ее крупности и окатанности по ходу потока наносов. В специальных экспериментах применяется маркировка значительных количеств галек [24].

5.57. Изучение поперечного перемещения наносов на подводном береговом склоне (в комплексе с гидродинамическими процессами) ведется по специальной методике [54].

5.58. На глубинах до 10 м и более (в зависимости от прозрачности воды) ценные сведения о составе грунта, а также о формах микро- и мезорельефа дна можно получать, просматривая дно со шлюпки через «водолазную трубу» (рис. 20). Последняя представляет металлический конус, который снизу герметически закрыт толстым круглым стеклом, а вверху сделан «раствор» для глаза. Наиболее удобные размеры трубы: длина 80 — 100 см, диаметр внизу 20 см, вверху — 5 - 7 см. Для просмотра дна нижний конец спускается в воду. Работа возможна лишь в тихую погоду.

Рис. 20. Водолазная труба

5.59 Некоторые выводы о литодинамике береговой зоны могут быть сделаны по составу морских организмов. Например:

а) если в пляжевых выбросах встречаются обломки ракушек, чуждых прибрежному биоценозу (на Черном море гребешки пектен, рапаны или тапес), то это свидетельствует о поступлении их к берегу с нижних зон подводного склона;

б) густое обрастание водорослями сравнительно ровной поверхности каменистого дна (на Черном море преимущественно цистозира) является показателем весьма редкого попадания наносов на данные участки, а если они там есть, то их малой и редкой подвижности;

в) обрастание балянусом, известняковыми червями (серпулиды) и мшанками гальки и валунов на дне свидетельствует о малой подвижности этого материала. Мелкие формы организмов развиваются на неподвижном субстрате примерно за месяц. Однако хорошо развитые балянусы и другие сидячие организмы (например, устрицы) вырастают за срок более одного года;

г) моллюски барнеа и фолас просверливают себе норы, первый — в плотном глинистом дне, второй — в прочных горных породах. Нахождение их створок на пляже показывает, что данные породы имеются на глубине и подвергаются разрушению, которое, например, в районе Сочи достигает 4 мм в год.

К наблюдениям такого рода необходимо привлекать гидробиолога.

Глава IV. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ

§ 1. Общие положения

1.1. В состав гидрологических исследований при изучении режима наносов и динамики берегов входят наблюдения за следующими элементами гидрологического режима: уровнем воды, волнением, течениями, льдом, а также за ветром.

При проведении гидрологических изысканий в устьях рек в состав их могут входить наблюдения за температурой воды и соленостью.

Изучение состава взвешенных и донных наносов сопровождается отбором проб донных отложений и взвеси с последующим определением их механического и вещественного состава и концентрации взвеси.

1.2. Одновременные наблюдения за ветром и гидрологическими элементами (волнением, уровнем воды, течениями, ледовыми условиями), за динамикой литосферы и наносами должны обеспечивать возможность привязки к многолетнему ряду наблюдений (за ветром, волнением и др.) [43].

1.3. Методика производства гидрологических исследований для определения режима наносов и заносимости, как правило, базируется на соответствующих наставлениях и руководствах [64, 81, 86], время наблюдений за отдельными элементами гидрометрежима и продолжительность их назначается в зависимости от решаемой задачи.

Наблюдения за элементами гидрологического режима ведутся со стационарных пунктов или, при выполнении гидрологических разрезов, с судов.

Наиболее ценные сведения могут быть получены в результате применения самописцев (волнографов, мареографов, буквопечатающих вертушек и др.).

1.4. Места и границы участков гидрологических изысканий должны удовлетворять во всех случаях задачам, поставленным в задании на проектирование сооружения и в техническом задании на инженерные изыскания.

Для выбора пунктов наблюдений и назначения объема работ служат:

а) план участка в изобатах или в отметках дна и карта грунтов дна;

б) карта течений при различных условиях;

в) розы ветров (и волнения — для морских участков);

г) морфодинамическая карта-схема побережья и морфодинамическая карта береговой зоны;

д) схема вариантов или план расположения проектируемых (а также строящихся, построенных) сооружений.

В общем случае количество и расположение пунктов наблюдений и объем работ на них зависят от характера изучаемого водного объекта.

§ 2. Виды и объем наблюдений

2.1. На открытом морском берегу и в бухтах перемещение наносов прослеживается и вдоль берега, и на поперечных профилях. Соответственно назначаются места и направления гидрологических разрезов и располагаются пункты стационарных наблюдений. Вдольбереговые расходы наносов определяются раздельно по интервалам глубин от берега до заданной глубины, соответственно определяются режимы течений и волнения.

2.2. Исследования режима наносов на устьевых рукавах производятся (кроме специальных наблюдений) на гидрометрических створах, выбранных и оборудованных в соответствии с требованиями Наставлений ГУГМС по измерению твердых расходов воды на реках. При этом особое внимание следует уделять особенностям перемещения наносов на перекатах.

Измерение расходов наносов производится или при каждом измерении расхода воды, или при измерении характерных расходов воды в количестве, достаточном для установления надежной зависимости между расходами наносов и расходами воды в пределах размаха колебания уровня.

В пунктах, исключающих возможность достаточно частого измерения расходов наносов, а также на рукавах, характеризующихся частым и интенсивным колебанием мутности, в целях подсчета суточных (декадных, месячных и т.д.) значений расхода взвешенных наносов берутся систематически (1 — 3 раза в сутки) единичные пробы воды на одной или двух постоянных вертикалях гидроствора, характеризующих среднее состояние мутности всего живого сечения реки. Вертикали и глубина взятия пробы на них намечаются на основании результатов обработки расходов наносов, измеренных детальным способом (см. ниже). На тех же вертикалях измеряется прозрачность воды.

2.3. К числу специальных наблюдений над режимом наносов на устьевых рукавах судоходных рек относятся наблюдения над режимом перекатов.

При изучении перекатов ведутся измерения донных и взвешенных наносов и производятся периодически промеры переката и исследования распределения и состава грунта дна не менее 4 раз в год: перед половодьем, после половодья, в летнюю межень и перед ледоставом.

Для судовождения и лесосплава промеры делаются чаще, особенно в меженный период.

Масштаб промеров и метод производства работ указан в гл. V, а количество проб грунта и метод отбора — в гл. VI настоящего Руководства.

2.4. Нормальная продолжительность одного цикла наблюдений на устьевых рукавах — непрерывно в течение всего года, но допускается минимальная — в период навигации, а на несудоходных рукавах — в безледоставный период. На открытых морских берегах и в бухтах наблюдения ведутся либо круглый год, либо ограничиваются навигационным периодом.

Наблюдения на устьевых участках рек ставятся на рукаве, где будет строиться сооружение. На открытом морском берегу стационарные пункты и разрезы должны освещать гидрологический режим; по характерному контрольному створу и вдоль берега.

2.5. Для производства стационарных наблюдений оборудуются пункты наблюдений: береговой — при проектировании сооружений берегового типа (закрытых акваторий, ковшей, молов, пирсов и т.п.), на воде — при проектировании сооружений, удаленных от берега (каналов, островных и рейдовых причалов и т.п.).

2.6. Береговой пункт оборудуется на участке проектируемого сооружения. Район инструментальных гидрологических измерений должен доходить до головы проектируемого сооружения или, во всяком случае, до соответствующих ей глубин. Желательно береговой пункт располагать на выступающих в море существующих гидротехнических сооружениях.

Все виды наблюдений с берега производятся в комплексе 4 раза в сутки методами, указанными в соответствующих разделах Руководства [81]. На бесприливных морях при устойчивом режиме количество наблюдений в сутки может быть сокращено до 1 — 2.

2.7. В зависимости от длины сооружения стационарных пунктов должно быть один, два, но не более трех из следующего расчета:

• при длине сооружения, например подходного канала или мола, до 2 км ограничиваются одним береговым пунктом;
• до 5 км — оборудуется один пункт в районе головы сооружения и один береговой;
• свыше 5 км — устанавливается три пункта: один в 2 — 3 км от берега (в районе перелома профиля дна), один в голове сооружения и один береговой.

При невозможности организации берегового пункта (сильно отмелый берег) ограничиваются организацией только пунктов на воде по той же схеме. В этом случае, при длине сооружения до 2 км, пункт наблюдения оборудуется на воде в районе головы сооружения.

Стационарные пункты наблюдения на воде оборудуются на плавмаяках, судах, на буях и на специально построенных площадках.

2.8. В состав стационарных наблюдений берегового пункта и пункта наблюдений на воде могут быть включены систематические комплексные наблюдения на постоянных вертикалях, так называемых рейдовых пунктах, расположенных вблизи трассы проектируемого сооружения.

2.9. На морях без приливов наблюдения на постоянной вертикали производятся ежедневно от 1 до 3 раз в сутки в часы общих наблюдений; кроме того, наблюдения могут быть эпизодические — учащенные в характерные моменты гидрологического режима.

При расположении пункта наблюдений в зоне взаимодействия реки и моря, где гидрологический режим отличается бульшей изменчивостью, наблюдения ведутся 3 — 4 раза в сутки.

Наблюдениями должны быть охвачены изучаемые элементы гидрологического режима для всей амплитуды колебания речного стока и для всех направлений и скоростей ветра.

2.10. На морях с приливами наблюдения на вертикалях ведутся по типу полусуточных (13 ч) и суточных (25 ч) станций.

При несложном гидрологическом режиме, характеризующемся отсутствием сезонных и непериодических колебаний уровня, количество станций 12 — 6 с равномерным распределением их во времени применительно к фазам луны.

При сложном гидрологическом режиме, характеризующемся сезонными колебаниями речного стока и сгонно-нагонными явлениями, количество станций увеличивается за счет дополнительных станций в характерные периоды гидрологического режима.

2.11. При сложной конфигурации проектируемого сооружения количество вертикалей и места их расположения сообразуются с рельефом дна и расположением сооружения.

При назначении нескольких постоянных вертикалей одна из них, наиболее полно характеризующая гидрологический режим района в целом, является опорной, остальные вертикали — вспомогательными.

Наблюдения на вертикалях производятся:

• на опорной, при небольшом удалении ее от берега, систематически по программе вертикалей, расположенных у стационарных пунктов наблюдений;
• при большем чем 2 км удалении от берега и на вспомогательных вертикалях только эпизодически.

Наблюдения на вертикалях производятся со специально оборудованных судов или с помощью установки приборов-самописцев (буйковых станций).

Количество выездов в зависимости от сложности гидрологического режима участка и общей продолжительности наблюдений назначается:

• на главную вертикаль — от 5 до 10 в месяц;
• на вспомогательные — от 3 до 5 в месяц на каждую.

Желательно производить наблюдения на вспомогательных вертикалях синхронно с наблюдениями на главной вертикали.

2.12. Для выявления границ распространения выносимых рекой наносов и характера распределения мутности по участку, в частности зон повышенной мутности, зон с наиболее интенсивным передвижением донных наносов, а также «провинций» питания и общего направления передвижения наносов, делаются гидрологические разрезы с полным комплексом наблюдений на станциях или разрезы только мутности и течений.

Направление и количество разрезов на участке зависит от особенностей рельефа дна, форм его изменения и общей картины циркуляции течений. Рекомендуется в общем случае назначать разрезы нормально изобатам и вдоль изобат, а также вдоль трассы или оси сооружения, используя в последнем случае в качестве станций постоянные гидрологические вертикали.

Количество разрезов на участке должно быть 2 — 4, но не более 4 по следующей схеме: одно направление — вдоль трассы сооружения, одно — нормально изобатам и одно-два — параллельно берегу или вдоль изобат.

По длине первые два направления должны выходить за пределы сооружения или его проекции на разрез (спроектированной вдоль изобат) на расстояние, соответствующее не менее 1 м падения дна от конца (головы) сооружения, но не далее 0,5 км от него.

Длина вторых двух направлений задается произвольно и не должна выходить за пределы участка расположения сооружения более чем на 1 км в оба конца.

2.13. Расстояние между станциями гидрологического разреза задается: для разрезов, направленных нормально изобатам, через каждый метр падения дна, но не ближе 250 м одна от другой, при очень пологом дне — приблизительно через каждый километр расстояния. Для разрезов по направлению, параллельному изобатам, — от 2 до 4 станций на разрезе.

Местоположения станций на разрезе постоянные.

Общее количество вертикалей на каждом разрезе во всех случаях назначается с таким расчетом, чтобы общая продолжительность работ не превышала продолжительности рабочего дня, определяемого на морях без приливов светлым временем суток.

Следует стремиться к тому, чтобы указанная продолжительность была минимальной и отвечала продолжительности устойчивого ветра, а на морях с приливами — продолжительности отлива или прилива.

Для обеспечения своевременного выполнения разреза может потребоваться два и более судна с соответствующим количеством работников на борту. Чем менее устойчив гидрологический и метеорологический режим в период наблюдений, тем важнее выполнить работы в короткий отрезок времени.

Необходима синхронная увязка наблюдений по гидрологическому разрезу с наблюдениями на стационарном гидрологическом посту.

2.14. Количество разрезов по каждому направлению зависит от сложности гидрологического режима и назначается, в общем случае, для изучения режима наносов при всех, по возможности, сезонных, периодических или наиболее часто повторяющихся гидрометеорологических явлениях, вызывающих повышение мутности: половодье, сгоны и нагоны, господствующие ветры, штормы и т.д.

В общем случае количество разрезов по каждому направлению может быть от 3 до 10.

2.15. При гидрологических исследованиях следует обращать особое внимание на появление у песчаных берегов так называемых разрывных течений. Они наиболее четко выражены при подходе волн по нормали к берегу и вызываются общим нагоном вод (волновым и ветровым). При этом в прибрежной зоне формируются очень крупные (сотни метров в диаметре) вихри с вертикальной осью. Циркуляционное движение воды в смежных вихрях направлено навстречу друг другу — по и против часовой стрелки (рис. 21). На участках конвергенции нагон воды увеличивается, а на участках дивергенции — ослабевает. Именно в районе конвергенции вода находит выход через зону подводных валов в открытое море в виде локализованных течений (десятки метров шириной, скорость более 1 м/с). Последние, проникая на мелководье до дна, захватывают и выносят песок. При этом на дне формируются желоба, которые иногда сохраняются и после шторма. Против желобов в береговой линии образуются пологие бухтообразные врезы.

Рис. 21. Схема разрывных течений по Шепарду:

1 — общее течение; 2 — прибрежная циркуляция; 3 — разрывное течение; 4 — участок питания; 5 — зона бурунов; 6 — вдольбереговое течение

Измерение разрывных течений чрезвычайно затруднено, так как они проявляются только во время штормов или крупной зыби. Они хорошо наблюдаются с воздуха по полосам пены. Учет этого явления необходим при определении бюджета наносов на пляже и подводном склоне, а также при исследовании подводных валов. По линии разрывных течений предшествовавшего шторма рельеф валов менее выражен: гребни их бывают понижены относительно смежных участков. В менее четкой форме разрывные течения наблюдаются также и у приглубых берегов. При подходе волн под острым углом картина разрывных течений искажается, но они все же существуют.

2.16. При проектировании ПЭС (приливных гидроэлектростанций), а также портов у берегов с высокими приливами главную опасность представляет заносимость акваторий илом. В заводях, бухтах, даже в районах с минимальным речным стоком и с неразрушающимися берегами (например, гранитные берега Мурманского полуострова) отлагаются со временем мощные толщи ила. Поэтому при изысканиях надо обращать главное внимание на изучение режима мутности прилегающей части моря, что в свою очередь требует измерений на больших участках.

Общая характеристика распределения мутных вод хорошо прослеживается с помощью аэрометодов, а в последующем — путем измерения мутности на нескольких разрезах в районе проектируемого сооружения. Если на участке расположено устье большой реки, то часть разрезов должна пересекать его и его продолжение в море.

§ 3. Методы производства наблюдений

3.1. Наблюдения за гидродинамическими факторами ведутся по методам, изложенным в Руководстве [81], а также по другим соответствующим рекомендациям [64 и др.].

3.2. Единой методики наблюдений за перемещением морских наносов, позволяющей достоверно установить наличие и мощность вдольберегового потока наносов и проследить процессы их перемещения и отложения, не существует. Вместе с тем практикой выработаны методы, позволяющие определять частные стороны этого процесса по элементам, например концентрацию взвешенных наносов, пути перемещения донных наносов, распределение их в пространстве, стратификацию наносов и др.

3.3. Из методов, при помощи которых решаются некоторые частные задачи всей проблемы, наиболее широко применяются (кроме промеров глубин) следующие:

• измерение концентрации взвешенных наносов путем систематического отбора проб на мутность с разных глубин. Умножая концентрацию на скорость течения в точке отбора, получают элементарный расход взвешенных наносов в точке;
• иногда измерение влекомых наносов производят при помощи наносоуловителей различных систем, но этот метод пока не дает надежных результатов;
• наблюдения за перемещением наносов при помощи крашеной гальки или песков, маркированных люминофорами или изотопами.

Наиболее полное представление о процессах перемещения наносов и заносимости дает одновременное применение нескольких методов. Подробное их изложение дается в последующих главах настоящего Руководства.

3.4. Более достоверные заключения о режиме наносов получаются в результате одновременного изучения режима гидрологических факторов. Обработка гидрологических данных, особенно материалов по волнению, течениям, уровням, льдам, производится по рекомендациям Руководств [81, 82], а вывод гидрологических режимно-климатических функций — по § 4 данной главы.

3.5. При изучении перемещения пляжевых наносов (галька, песок), а также изменений рельефа пляжа одновременно должны фиксироваться параметры прибойного потока. В простейшем случае измеряется ширина зоны прибоя по заранее вбитым в пляж металлическим стержням, положение которых на профиле известно. Скорость прямого и обратного потока фиксируется по тем же стержням. Для этого бросают в зону прибоя поплавок и отмечают секундомером за какое время он проходит определенное расстояние. Одновременно замеряется азимут прямого и обратного потока и угол относительно береговой линии.

При более точных, специальных исследованиях применяют датчики скоростей с записью на осциллограф. В последнем случае можно замерить скорости на разных уровнях.

Толщина слоя прибойного потока измеряется по стержням, окрашенным через 10 см желтой и черной краской. Окраску приходится возобновлять после каждого сильного волнения, так как она стирается [17].

§ 4. Составление таблиц режимных функций гидрологических факторов

4.1. Любое гидрометеорологическое явление (ветер, волна, уровень, течение и др.) характеризуется средними и экстремальными значениями числовых параметров и повторяемостью этих параметров во времени: 1 раз в год, k раз в год, 1 раз в n лет и др.

4.2. Параметры многих гидрологических факторов являются функциями скорости и длительности породивших их ветров. В основе их расчета лежат таблицы повторяемости и обеспеченности скорости ветра по направлениям и группам скоростей.

Для последующих расчетов направлений движения наносов и заносимости рекомендуется вести обработку направлений ветра по 16 полурумбам и по следующим градациям скоростей: 0 — 1 (штиль), 2 — 5, 6 — 9, 10 — 13, 14 — 17, 18 — 20, 21 — 23, 24 — 26, 27 — 29, >= 30 м/с. Допускаются градации скоростей ветра и через 5 м/с (0 — 5, 6 — 10...).

Если в исходных материалах повторяемость ветра (табл. 3) дана по целым румбам, рекомендуется ее переработать на полурумбы следующим образом (табл. 4): повторяемость по целым румбам (С, СВ, В...) записывается в размере 50% указанной в исходной таблице, по 25% — относится к обоим смежным полурумбам (например, с СВ относится по 25% на ССВ и ВСВ, т.е. в градации 11 — 15 м/с, 0,8% записывается на направлении СВ, а по 0,4% относятся к ССВ и ВСВ).

Таблица 3

Повторяемость (p%) скоростей ветра по градациям и по румбам

Таблица 4

Повторяемость (p%) скоростей ветра по градациям и по полурумбам

4.3. Наиболее надежным источником сведений о повторяемости ветров по направлениям и градациям скоростей являются синоптические карты, хранящиеся в местных управлениях Гидрометслужбы и в Гидрометцентре СССР. Методы обработки их описаны в «Руководстве по расчету параметров ветровых волн» [79]. Однако расчеты по синоптическим картам очень трудоемки (и еще не произведены для всех побережий морей СССР). По этой причине допускается использование данных о ветрах береговых гидрометеорологических станций. Они хранятся в управлениях Гидрометслужбы и публикуются в «Справочнике по климату СССР», а также в «Морских гидрометеорологических ежегодниках и ежемесячниках».

В случаях отсутствия гидрометеостанции вблизи изучаемого района, кратковременности ее деятельности или ее нерепрезентативности для изучаемого района следует открывать временные гидрометеостанции или посты непосредственно на исследуемом участке и устанавливать коррелятивные связи временной и опорной гидрометеостанций (поста).

4.4. Для расчетов параметров волн, кроме скорости и длительности ветра, играет роль «разгон», т.е. расстояние от подветренного берега до рассматриваемой точки по направлению действия ветра. Точные расчеты требуют учета изменений направлений ветра во времени над открытой поверхностью моря на основании синоптических карт. Но ввиду трудоемкости этой работы допускается распространение показаний береговой гидрометеостанции на все протяжение разгона по направлению ветра от станции до подветренного берега.

4.5. Расчеты режимных характеристик ветра и режимно-климатических характеристик (параметров гидрологических явлений) состоят в определении повторяемости экстремальных значений параметров этих явлений. Обычно требуются значения параметров, которые могут повториться один раз в 10, 25, 50, 100 лет.

Для гидротехнического проектирования требуется рассчитывать также обеспеченность параметров явлений в году.

Обеспеченность относится к наименьшему значению параметров в заданном интервале, например, в градации ветра от 6 — 10 м/с — к 6 м/с.

4.6. Расчет режимных функций (характеристик) ветра производится по каждому направлению ветра в отдельности, для чего сумма по данному направлению приравнивается к 100% и находится повторяемость каждой градации ветра по формуле

P = \frac{p100}{\sum p} ,

где P — повторяемость в пределах данной градации по данному направлению;

p — повторяемость ее в общей сумме по всем направлениям;

\sum p — повторяемость всех случаев данного направления.

Образец такого пересчета дан при составлении табл. 5 по данным табл. 4. Например, по табл. 4 для градации 6 — 10 м/с северного направления имеем p = 1,2%, \sum p = 2,55\% , P = \frac{1,2 \cdot 100}{2,55} = 47,1\% , а обеспеченность ветра скоростью 6 м/с по табл. 5 составит F = 1,9 + 11,8 + 47,1 = 60,8%.

Таблица 5

Повторяемость (P% 1-я строка) и обеспеченность (F% — 2-я строка) скоростей ветра по градациям и по полурумбам от числа наблюдений по каждому полурумбу

4.7 Установлено, что обеспеченность F скоростей ветра равна

F = e^{-}(^{\frac{V}{\beta}})^{\gamma},

где \beta , \gamma — константы;

V — скорость ветра.

В таком случае, если нанести на график (рис. 22) по оси абсцисс логарифмы значений скоростей ветра данного направления, а по оси ординат — билогарифмы их обеспеченности F%, то соответствующие значения F = f(V) расположатся по направлению, близкому к прямой линии. Это даст возможность при ограниченном количестве или малой длительности наблюдений экстраполировать эти линии в область редкой повторяемости, т.е. больших скоростей ветра. Например, на прилагаемом графике (рис. 22) по трем значениям обеспеченности скоростей ветра проведены линии (близкие к прямым): для северного направления 16 м/с — 1,9%, 11 м/с — 13,7%, 6 м/с — 60,8%; для северо-восточного направления: 16 м/с — 4,0%, 11 м/с — 20,0%, 6 м/с — 58%.

Рис. 22. Режимная функция скорости ветра

При экстраполяции этих кривых находим, что обеспеченность скоростей ветра выше 25 м/с северного направления — 0,012%, а северо-восточного направления — 0,06% в году.

Следует учитывать, что точки, относящиеся к большим наблюденным скоростям ветра, имеющим редкую повторяемость, наносятся по малому числу наблюдений и по этой причине могут отклоняться от истинного положения. Бульший вес при проведении кривых режимных функций имеют точки умеренных скоростей ветра.

4.8. Параметры волн на глубинах, превышающих половину длины волны, могут быть с достаточной точностью выражены также в виде некоторой показательной функции от скорости ветра при установившемся режиме волнения. Для этих случаев графическая зависимость обеспеченности средних высот, длин и периодов волн от скорости ветра также выражается на билогарифмической клетчатке линией, близкой к прямой. Функция меняется, если волнение развивающееся, или в случае деформации волн на мелководье. Поэтому рекомендуется при расчетах волнения использовать прямолинейность режимной функции только в отношении распределения скоростей ветра, и по определенным таким образом экстремальным скоростям ветра рассчитывать параметры волн по «Руководству по расчету параметров ветровых волн» [79].

4.9. Если обрабатываются данные о ветре за n лет по m наблюдениям в сутки и в каждый год в среднем по № суток, то общее количество произведенных наблюдений составит nmN случаев (суммарно по всем направлениям).

Например, если наблюдения велись 4 раза в сутки в течение 20 лет, то общее количество наблюденных случаев за год 4 x 365 = 1460, за весь период — 4 x 365 x 20 = 29200.

Повторяемость каждых группы и направления скоростей принимается p% по отношению к числу случаев в год и P% по отношению к числу случаев данного направления (полурумба).

Все дальнейшие расчеты ведутся отдельно по каждому полурумбу и количество случаев по нему принимается за 100%. Оно составляет \frac{nmN \sum p}{100} случаев, а за один год \frac{mN \sum p}{100} . Если m = 4, N = 365 дней, то все число случаев будет 14,6n \sum p , а в один год 14,6 \sum p .

На каждую градацию скоростей приходится случаев: всего \frac{nmN \sum pP}{100 \cdot 100} , в один год \frac{mN \sum pP}{100 \cdot 100} , а при m = 4 и N = 365 — всего 0,146n \sum pP , в один год 0,146 \sum pP .

Обеспеченность F данной градации получается путем суммирования повторяемостей данной градации и более высоких. Соответствующее ей число случаев будет

\frac{nmN \sum pF}{100 \cdot 100} .

Обозначим число случаев в год с обеспеченностью F через K, тогда K = \frac{mN \sum pF}{100 \cdot 100} , при m = 4, N = 365 K = 0,146 \sum pF .

Обеспеченность случаев редкой повторяемости обозначается через количество лет n, приходящихся на 1 случай, n = \frac{1}{K} . Тогда n = \frac{100 \cdot 100}{mN \sum pF} , при m = 4, N = 365 это составит

n = \frac{1}{0,146 \sum pF} .

Наоборот, если требуется определить обеспеченность ветра или гидрологического явления, повторяющегося K раз в год или 1 раз в n лет, то

F = \frac{100 \cdot 100 \cdot K}{mN \sum p} или F = \frac{100 \cdot 100}{nmN \sum p} .

Если m = 4, N = 365 дней, F = \frac{K}{0,146 \sum p} или \frac{1}{0,146n \sum p} .

В рассматриваемом примере у градации 6 — 10 м/с по северному направлению повторяемость p = 1,2%, \sum p = 2,55\% , P = 47,1%.

Всего на эту градацию пришлось случаев наблюдений за 20 лет

\frac{20 \cdot 4 \cdot 365 \cdot 2,55 \cdot 47,1}{100 \cdot 100} = 351,

а обеспеченность ветра 6 м/с при F = 60,8% составляет \frac{20 \cdot 4 \cdot 365 \cdot 2,55 \cdot 60,8}{100 \cdot 100} = 463\text{случая} , а в один год K = 0,146·2,55·60,8 = 22,6 раз или один случай в n = \frac{1}{0,146 \cdot 2,55 \cdot 60,8} = 0,044\text{лет} .

Если задать обеспеченность 1 раз в год, т.е. K = n = 1, то при ветрах с севера F_{1}^{C} = \frac{1}{0,146 \cdot 2,55} = 2,7\% , а при ветрах с северо-востока F_{1}^{C\text{В}} = \frac{1}{0,146 \cdot 5,0} = 1,4\% .

От обеспеченности один раз в год F₁ легко перейти к обеспеченности F₁₀, F₂₅, F₅₀ по 1 разу в 10, 25, 50 лет, т.е. при n = 10, 25, 50 лет. Разделив F_{1}^{C} на 10 или 25 или 50, получим:

F_{50}^{C} = 0,054; F_{25}^{C} = 0,11, F_{10}^{C} = 0,27,

F_{50}^{C\text{В}} = 0,027\%. F_{25}^{C\text{В}} = 0,055, F_{10}^{C\text{В}} = 0,14,

По рис. 22 этим обеспеченностям соответствуют скорости ветра, м/с:

V_{50}^{C} = 22,5; V_{25}^{C} = 21,5, V_{10}^{C} = 20,

V_{50}^{C\text{В}} = 25,5. V_{25}^{C\text{В}} = 25,0, V_{10}^{C\text{В}} = 23,5,

Так же можно получить обеспеченность в K = \frac{1}{n} = 1,2,5,10\text{развгод} , умножив F1 соответственно на 1, 2, 5, 10. Получим:

F_{10}^{C} = 27\%, F_{5}^{C} = 13,5, F_{2}^{C} = 5,4, F_{1}^{C} = 2,7,

F_{10}^{C\text{В}} = 14,0; F_{5}^{C\text{В}} = 7,0, F_{2}^{C\text{В}} = 2,8, F_{1}^{C\text{В}} = 1,4,

V_{10}^{C} = 9; V_{5}^{C} = 11, V_{2}^{C} = 13, V_{1}^{C} = 15,

V_{10}^{C\text{В}} = 11,5\text{м}/\text{с}. V_{5}^{C\text{В}} = 14, V_{2}^{C\text{В}} = 16, V_{1}^{C\text{В}} = 19,

4.10. Кроме формы построений режимной функции, показанной на рис. 22, удобно пользоваться также формой, изображенной на рис. 23. На ней обеспеченность дается в функции числа K, выражающего, сколько раз в год повторяется явление, например средняя высота, период или длина волны. Очевидно, K = \frac{1}{n} и явление, бывающее до 1 раза в 20 лет, характеризуется значением K = \frac{1}{20} = 0,05 .

Рис. 23. Режимно-климатические функции средних высот и длин волн северных и северо-восточных направлений

График на рис. 23 прямо отвечает на важный для гидротехников вопрос об обеспеченности параметра того или иного явления.

Функция связи параметров гидрологического явления с обеспеченностью (рис. 23) называется режимно-климатической.

4.11. Повторяемость параметра явлений данной градации, например, от 6 до 10 м/с скорости ветра, находится как разность значений обеспеченностей нижних параметров данной и более высокой градации, т.е. P6-10 = F11 — F6.

4.12. Нанесение режимно-климатической функции параметров гидрологических явлений на рис. 23 рекомендуется начинать с построения режимной функции скоростей ветра по рис. 22. По ней определяются скорости ветра, обеспеченные 1 раз в n лет или K раз в год.

На рис. 23 выполнено построение режимно-климатических функций по исходным данным о режиме ветра, согласно рис. 22, при следующих дополнительных условиях: глубины в расчетной точке больше половины длины рассматриваемой волны, длительность ветра во всех случаях 10 ч, разгоны волн с севера — 260 км, с северо-востока — 140 км, наблюдения велись 4 раза в сутки в течение 365 сут в году.

Расчет параметров выполнен по «Руководству по расчету параметров ветровых волн» [79] и дается в табл. 6, где K — число случаев в год; V — скорость ветра, м/с; x — разгон волн, км; t — время действия ветра, ч; h0 — средняя высота волн на больших глубинах, м; \overline{\lambda_{0}} — средняя длина волн на больших глубинах, м.

Таблица 6

Расчет параметров волн при ветрах с севера и северо-востока

Режим волнения: с севера 1 раз в 50 лет установившийся, во всех других случаях — неустановившийся. Поэтому точка значения K 1 раз в 50 лет отклонилась от прямой. Полученные параметры K0 нанесены на рис. 23.

4.13. По графикам на рис. 23 составляется сводная табл. 7 комплекса режимно-климатических характеристик. Для этого с графика снимаются значения обеспеченности произвольно задаваемых средних высот волн h0K на глубокой воде — K случаев. По формуле, данной в п. 4.9, обеспеченность заданной высоты волн по данному направлению

F = \frac{100 \cdot 100 \cdot K}{mN \sum \overline{p}} = \frac{K}{0,146 \sum \overline{p}} = \frac{K}{0,146 \cdot 2,55} = \frac{K}{0,372} \%.

Таблица 7

Сводная таблица режимных характеристик волнения

Примечание. Сводная таблица рассчитывается по всем активным полурумбам (ССВ, СВ и т.д.).

Обеспеченность по сумме всех направлений f = \frac{F \sum p}{100} = \frac{2,55}{100} F .

Повторяемость Pm = Fm-1 — Fm; pm = fm-1 — fm. Например, в интервале \overline{h_{0}} = 1,00 - 1,24\text{м} Pm = 19,1 — 10,5 = 8,6%, pm = 0,488 — 0,268 = 0,220%. Сумма всех значений pm по всем направлениям по рассматриваемому интервалу, например, 1,00 — 1,24 м дает повторяемость всех волн данного интервала по всем направлениям вместе.

Сводная таблица заканчивается суммированием обеспеченности и повторяемости p по всем активным полурумбам высот волн (т.е. за исключением ветров с берега) по всем значениям \overline{h_{0}} и по всем интервалам высот волн.

Глава V. АНАЛИЗ КАРТОГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА И ПРОМЕРНЫЕ РАБОТЫ

§ 1. Общие положения

1.1. Промерные работы производятся для составления карт и планов глубин и определения рельефа подводного берегового склона и пляжа. На основе промерных планов определяется объем перемещенных наносов. К промерным работам следует относить не только промеры глубин в прибрежной зоне моря, в устьях рек, на портовых акваториях и т.д., но и геодезические работы для обеспечения промера и топографические съемки прилегающей береговой полосы.

1.2. В зависимости от поставленных задач промерные работы выполняются с различной степенью подробности и точности. Они бывают рекогносцировочными (для общего освещения неисследованных или малоисследованных акваторий), подробными (для получения батиметрической основы проекта гидротехнических сооружений) или специальными (например, для определения заносимости каналов или размыва акваторий и участков берега).

Рекогносцировочные разовые промеры, как правило, производятся на обширной акватории (вместо них часто можно использовать имеющиеся навигационные карты Гидрографического управления ВМС); подробные, тоже разовые, выполняются в основном на ограниченных по протяженности участках — местах намечаемых вариантов строительства сооружений; специальные промеры выполняются неоднократно или на тех же участках, где и подробные, или на отдельно выбранных участках существующих портовых акваторий, в частности на каналах. Они отличаются повышенной подробностью и крупными масштабами оформления планов.

1.3. Работы по планово-высотному обоснованию промеров, а также по прибрежным топографическим съемкам и промерам глубин акваторий для обычных целей (рекогносцировочные или подробные промеры) выполняются в соответствии с действующими инструкциями ГУГКа.

1.4. Сопоставление повторных промеров глубин одних и тех же участков акватории, подходного канала и т.д., а также нивелировок (съемок) береговой полосы позволяет получить достоверные данные о характере происходящих изменений в рельефе дна и берегов, определить границы зон размыва и намыва (аккумуляции) наносов, выявить интенсивность заносимости существующих портовых акваторий и, в конечном итоге, судить о степени пригодности изучаемого участка для строительства новых или развития существующих сооружений.

1.5. Сравнение планов промера за ряд лет позволяет установить тенденции развития берега и подводного берегового склона, получить качественные и некоторые количественные данные о направлении и темпе перемещения линии берега, подводных гряд, валов и ложбин, а сравнение прибрежных топографических съемок — тенденции к изменению положения клифа, ширины пляжа и т.п. При наличии многократных повторных съемок следует сравнивать результаты, полученные при аналогичной гидрологической обстановке на море и при одинаковых фазах стока (сезонах). Планы и карты, заснятые в разные сезоны одного года, отражают влияние соответствующего сезона.

В дополнение к этим съемкам обязательно привлекаются данные специальных наблюдений (например, определение мощности активного слоя и изменения крупности наносов и др.) — для более правильного суждения о происходящих изменениях.

Сравнение промеров по профилям (например, до и после шторма) показывает направленность и интенсивность деформаций дна (аналогичные нивелировки на суше — деформаций береговой линии и пляжевой полосы), происшедших за малый отрезок времени (за время одного шторма).

Для сравнения с целью выявления деформаций рекомендуется использовать карты крупных масштабов — от 1:10 000 и крупнее. Отдельные участки сравниваются в самых крупных масштабах (1:1000 и 1:500).

1.6. Границы размыва и нарастания берега, а также участков транзита наносов определяются путем сопоставления гидрографических, а иногда и топографических карт, заснятых с интервалами в несколько лет или десятков (иногда даже сотен) лет, а также на основании данных аэрофотосъемки побережья за разные годы. Сопоставляется линия берега (нулевые изобаты) и глубины.

Сравнение береговой линии делается в единых для всех карт масштабе и проекции. Для этого пользуются или координатами, или, если система координат разная, общими для всех карт ориентирами.

Тождественность нулей высот гидрографических и топографических карт и планов обязательна. При различных нулях промера определяют разность нулей (привязку) и пересчитывают глубины.

На основании указанного сопоставления промерных карт составляется карта-схема намыва-размыва с сечением рельефа через 0,25 — 0,50 м.

Более точное сопоставление глубин достигается совмещением профилей подводного берегового склона в одном масштабе. Места профилей выбираются на картах с таким расчетом, чтобы имелась возможность определить не только направление деформации, но и, по возможности, объемы перемещенного грунта в зонах размыва и намыва. В тех же местах и с той же целью по топографическим картам производится совмещение профилей надводного берегового склона.

1.7. Необходимо отметить, что построение карт деформации рельефа на основании повторного промера дает представление о продольном перемещении материала лишь в тех достаточно редких случаях, когда исследованием охватываются область питания, участок транзита и область отложения. Эти участки совместно образуют определенные динамические системы с полностью или частично замкнутым литодинамическим режимом.

Хорошим примером является Пицундский полуостров. Его формирование связано с твердым стоком р. Бзыбь и от ее устья до конечного пункта отложения наносов расстояние составляет всего около 15 км. На этом участке данные последовательного промера позволили подсчитать бюджет наносов по отдельным участкам берега.

В большинстве же случаев вдоль выровненных берегов динамические системы простираются на десятки и даже сотни километров. Поскольку участок изысканий обычно занимает всего несколько километров, т.е. изыскания производятся в пределах какого-то одного элемента системы, то для суждения о продольном перемещении наносов одних повторных промеров может оказаться недостаточно. Они покажут лишь амплитуду и закономерности перестройки профиля при штормах. В лучшем случае по этим промерам можно будет судить о темпе аккумуляции на участках нарастания или темпе размыва дна и пляжа. Это весьма важно само по себе, но не дает еще представления о режиме системы в целом.

1.8. Для изучения амплитуды деформаций профиля и косвенно бюджета наносов подводного склона на отдельных участках простых очертаний Г.А. Сафьяновым предложен весьма удобный метод построения батиграфической кривой (применим также для пляжа). Преимуществом метода является возможность производства повторных промеров без построения и восстановления точной геодезической сети. Важно лишь, чтобы промеры (и серии пляжевых нивелировок) были достаточно частыми и привязаны к определенному уровню моря.

При работе этим методом по серии галсов строится батиметрическая карта по возможности с частым сечением изобат (и изогипс на пляже) — не реже, чем через 0,5 м. Затем в ее границах планиметрированием измеряется площадь сечения дна всего участка между смежными изобатами, и полученные данные изображаются в виде интегральной кривой, где по вертикали наносятся диапазоны глубин, а по горизонтали — проценты площади выше каждой данной изобаты (рис. 24). За 100% принимается площадь между крайней изобатой и урезом.

Рис. 24. Батиграфическая кривая:

1 — предыдущий промер; 2 — последующий промер

После нанесения на тот же график результатов последующего промера получается сходная кривая, которая местами может быть выше первоначальной (аккумуляция), а местами — идти ниже ее (размыв). Площадь каждого из таких участков измеряется на графике планиметрированием. Совмещенные кривые дают наглядное изображение происшедших деформаций дна, а, кроме того, деформация может быть вычислена для любых глубинных зон. Для получения точных результатов густота промерных галсов должна быть наибольшей.

1.9. Результаты анализа картографического материала должны использоваться для уточнения места возможного расположения проектируемых сооружений и для оценки характера и масштабов предстоящих работ по защите берегов от размыва и портовых акваторий от заносимости.

1.10. Промеры для портового и прибрежного строительства производятся обычно с небольших самоходных судов. Скорость хода при промере не более 4 узлов.

В случае необходимости выполнять промер на глубинах свыше 20 — 30 м и в удалении от берега требуются суда со скоростью хода не менее 8 узлов, оснащенные радионавигационным оборудованием.

1.11. В зонах нахождения подводных каньонов рельеф дна изучается до глубин свыше 100 м с учетом всех особенностей промерных работ на рельефе повышенной сложности. Эти работы считаются специальными.

§ 2. Состав промерных работ

2.1. Подробные промерные работы ведутся, как правило, в полосе пляжа и на подводном склоне до глубин порядка 0,5 — 0,6 длины штормовой волны на приглубых берегах и порядка 5 — 6 высот штормовой волны на отмелых берегах.

В зоне проложения подходного канала промер выполняется до глубин, превышающих не менее чем на 1,5 — 2,0 м осадку перспективного расчетного судна.

В устьях судоходных рек специальные гидрографические работы сосредотачиваются в основном на мелководном участке бара и на судоходных рукавах.

Помимо сплошных промеров и съемки, производятся систематические промеры на выбранных участках по постоянным профилям, обычно ориентированным по нормали к изобатам. Расстояния между профилями назначаются в зависимости от сложности геоморфологических условий (ориентировочно это расстояние может быть от 50 — 70 до 500 — 1000 м).

2.2. В некоторых случаях, когда берег приглуб, а рельеф дна сильно расчленен (например, вершинами подводных каньонов или искусственной прорезью), требуется проложение также серии продольных галсов помимо поперечных. Без них затруднена расшифровка общей картины строения дна (ложбин, каньонов).

2.3. Повторные промеры на профилях в зависимости от сложности условий и решаемых задач могут производиться с различной частотой, с учетом условий и времени проявления действий наносодвижущих факторов.

Промеры в прибрежной полосе и на портовых акваториях производятся после штормов или по окончании штормового периода, во время длительного затишья, в периоды господствующего направления ветра и после сильных нагонов и сгонов. В устьях рек и на барах целесообразно бывает выполнять промеры при ледоставе, перед половодьем, после половодья, после паводков, в период или после сизигийных приливов.

2.4. Если исследуются изменения рельефа дна и режим наносов за длительный период, то промеры производятся реже: например ежегодно на протяжении нескольких лет, но в один и тот же сезон. Последнее условие особенно важно для русловых промеров на реках.

2.5. В отдельных случаях могут производиться промеры, например, для выявления влияния проходящих судов на состояние поперечного профиля канала или с целью определения границ и характера деформации подводных свалок грунта и т.п.

2.6. Для определения границ распространения шлейфа мутности при штормах или при работе землечерпательных караванов вместе с промерами может производиться серия аэрофотосъемок акватории.

2.7. В районе намечаемых промерных работ разбивается сеть опорных пунктов и реперов и прокладывается вдоль берега магистраль для обеспечения плановой и высотной привязки промеров.

В опорную сеть включают хорошо видимые с моря навигационные и геодезические знаки, маяки, пункты береговой магистрали, приметные пункты и специально установленные ориентирные знаки.

2.8. Повторные промеры, как правило, делают по одним и тем же профилям от одного и того же нуля глубин (например, нуля порта, нуля изысканий, нуля Кронштадтского футштока и др.). Если промеры уже выполнялись от какого-то нуля, то он, по возможности, не должен меняться в дальнейшем.

2.9 Все виды промера выполняются в следующей последовательности:

1. подготовка геодезической основы: определение координат опорных пунктов, разбивка береговой или водной магистрали, составление сеток, таблиц углов, схем и т.д.;

2. организация уровенных наблюдений: установка и нивелировка водомерной рейки, наблюдения над колебанием уровня воды, определение величины поправки (срезки) за уровень;

3. измерение глубин с определением их планового положения;

4. обработка материалов и составление плана промера.

2.10. Наземное морфологическое изучение местности следует, по возможности, дополнять аэровизуальными и аэросъемочными работами, используя их как для общего ознакомления с характером береговой зоны, так и для наблюдения явлений динамики прибрежной полосы моря.

2.11. Для соблюдения преемственности и сравнимости результатов прежних исследований с новыми методика последних должна быть увязана с ранее применявшейся.

2.12. Промерные работы, выполняемые для определения заносимости (размыва) дна акватории и деформации берегов, должны проводиться, как правило, синхронно с гидрологическими наблюдениями с целью выяснения взаимосвязи всех факторов, определяющих заносимость (размыв) и деформацию берегов, дна и акваторий.

§ 3. Производство промеров и масштабы промерных планов

3.1. В зависимости от условий местности и требуемой точности и подробности промеров применяются различные методы их выполнения. Эти методы делятся на три основные группы:

1. промеры с инструментальной фиксацией точек (промеры со шлюпки, идущей по створу, с одновременной засечкой одним теодолитом с берега и промеры со шлюпки без использования створа с засечками двумя теодолитами с берега);

2. промеры со шлюпки, идущей по створу, с засечкой положения промерных точек секстаном со шлюпки на береговые знаки, промеры со шлюпки, идущей по компасу, с одновременной засечкой положения промерных точек двумя секстанами со шлюпки на береговые знаки;

3. промеры с непосредственной разбивкой точек (промеры по плавучей цепи, промеры по тросу, промеры со льда и др.).

Третья группа методов применяется в случае необходимости получить точные данные о состоянии и деформации дна искусственных акваторий на участках, не слишком удаленных от берега или от жестких опор на море, а также в узкостях и около гидротехнических сооружений.

3.2. Для закрепления промерных профилей прокладывается магистральный ход по берегу с закладкой знаков на всех углах и забиваются колья (сторожки) для выставления створов во время работы. Створы на воде при необходимости закрепляются парными буями, а временные — створными плавучими вехами.

Висячие магистральные ходы, т.е. опирающиеся на одну закрепленную точку, применять не рекомендуется.

При прокладке магистралей используют методы полигонометрии или триангуляции. В полузакрытых районах рекомендуется метод комбинированных засечек. Относительные ошибки допускаются при измерении сторон мерной лентой не более 1/2000, а при измерении углов — до 30 — 45».

3.3. Направление профилей в зависимости от решаемых задач и конфигурации рельефа дна может быть самым различным. Как правило, на прибрежных мелководьях их располагают нормально линии берега и изобатам. Можно профили располагать веером, чтобы охватить заданную акваторию. Иногда бывает выгодной система параллельных профилей в крест сечения форм рельефа.

3.4. Для повторения промера должны быть составлены схемы расположения основных профилей, таблицы углов для определения пикетов (точек) на оси створа и другие вспомогательные документы. На схему наносят основные профили, имеющие постоянную привязку и нумерацию и удовлетворяющие требованиям точности промера.

Для более полного освещения рельефа дна на отдельных участках объекта в процессе промера могут быть назначены дополнительные профили.

3.5. Масштабы подробных промеров участка (и съемок берега) выбираются в зависимости от сложности рельефа и от поставленных задач. Так, например, промерные планы акватории порта могут составляться в масштабах 1:1000 — 1:2000 и мельче, промеры рейда, мест свалок грунта могут выполняться в масштабе 1:2000 — 1:5000 и мельче.

В зависимости от ширины промеряемой полосы рекомендуются указанные в табл. 8 масштабы планов и расстояния между профилями (галсами) и точками обсервации (засечек теодолитами или секстанами).

Таблица 8

Масштабы планов промера

При исследовании заносимости отдельных участков портовых акваторий (каналов) и при сложном рельефе дна (например, каньонах) промеры могут быть еще более подробными.

3.6. Пункты плановой основы, используемой для промерных работ, должны иметь координаты в прямоугольной системе. Координаты опорных пунктов определяются геодезическими засечками или методом полигонометрии (теодолитными ходами).

При создании сети рабочего обоснования промера надлежит руководствоваться действующими инструкциями по гидрографическим работам [29, 88].

3.7. Разбивка углов поворота колен канала и их осей производится секстаном по заданным углам по гониометрической сетке с выставлением «поворотного буя» и с обязательной проверкой засечками теодолитами с берега.

Для разбивки поперечных к оси канала профилей применяется в тихую погоду плавучая цепь, а в свежую погоду допускается разбивка по гониометрической сетке секстанами или по засечкам и створам с берега. На каждом профиле по его концам выставляют временные буйки или плавучие вехи.

3.8. Разбивка промерных профилей на каналах, фарватерах, акваториях портов и составление документов для определения планового положения производятся в соответствии с «Технической инструкцией по производству промерных работ на морских дноуглубительных объектах ММФ» [88].

3.9. Приведение измеренных глубин промера к выбранному нулю глубин обеспечивается наблюдениями над колебаниями уровня воды на постоянных или временных уровенных постах.

Установка уровенных постов, нивелирование реек и реперов, наблюдения над колебаниями уровня и их обработка для промерных работ производятся в соответствии с «Наставлением гидрометстанциям и постам», вып. 9 [64] и другими соответствующими документами.

3.10. Независимо от способа промера, глубины при подробных съемках должны быть измерены с точностью, показанной в табл. 9.

Таблица 9

Требуемая точность промера

Примечания: 1. На искусственных прорезях и акваториях портов измерения глубин свыше 10,0 м должны выполняться с точностью +0,10 м.

2. При большой подвижности дна допускаемая точность промера удваивается.

3. При полужидком грунте дна рекомендуется вести промеры наметкой с поддоном.

3.11. Результаты промера оформляются в виде планов промера, которые могут составляться на каждый объект в отдельности: канал, фарватер, акватория порта, свалка грунта, рейд и т.д.

3.12. При изучении деформации дна акватории составляются профили дна по линии промерного галса или по любому выбранному направлению.

Соотношение масштабов чертежа профиля (вертикального и горизонтального) рекомендуется принимать по табл. 10.

Таблица 10

Соотношение масштабов

При составлении поперечных профилей у причальных сооружений при крутых откосах горизонтальный масштаб может быть более крупным.

3.13. Глубины на планах (картах) показываются на акватории изобатами с сечением рельефа 0,5 м, при большом уклоне дна или мелком масштабе карты допускается сечение рельефа через 1 м и менее. На планах речных рукавов дно изображается горизонталями с таким же сечением рельефа.

§ 4. Приборы для измерения глубин

4.1. Основным прибором для измерения глубин при промерах является эхолот с самописцем, обеспечивающим непрерывную запись профиля дна. Допускается также применение обыкновенного лота и рыбалота при глубинах свыше 5 м и наметки при глубинах менее 5 м.

Измерение глубин лотом или наметкой бывает обязательным:

• при выполнении промерных работ на коротких галсах, при промере по тросу;
• при промерах со льда;
• при наличии густых водорослей;
• на мелководных акваториях с глубинами менее 1 — 2 м.

4.2 Измерение глубин производится с катера или мотошлюпки, удовлетворяющих следующим требованиям:

• наличие приспособлений для установки приборов и достаточного места на палубе для производства работ;
• безусловная надежность в отношении требований техники безопасности и морнадзора;
• отсутствие валкости при перемещении на судне 1 — 2 человек (при работе эхолотом колебания осадки вибраторов — не более половины установленной точности промера по табл. 9);
• скорость хода судна во время промера 4 — 8 км/ч;
• достаточно малая осадка судна для промеров вблизи берега, над свалками грунта, за бровками каналов и т.п.;
• запас горючего не менее чем на 24 ч непрерывной работы.

При малом объеме работ и спокойном море допускается пользование весельными шлюпками.

4.3. Наметку изготавливают из сухого дерева, бамбука, легкого металла или гибкой пластмассы. Диаметр ее 4 — 5 см наиболее удобен, а длина должна быть не менее чем на 1,5 м больше максимальной глубины промера.

Деления наметки через 10 — 20 см окрашивают попеременно в белый и черный или красный цвет с четкими надписями глубин, начиная от пятки (поддона).

Отсчет по наметке делается при упоре ее в дно в вертикальном положении с точностью на малых глубинах 2 — 3 см, на больших — 5 см.

При работах на мягком грунте, продавливаемом более чем на 2 см рукой человека, на пятку наметки надевается круглый поддон диаметром не менее 15 см.

4.4. Ручной лот (рис. 25) представляет собой стальной (или из другого тяжелого металла) стержень диаметром не менее 25 мм, иногда с поддоном. К его ушку крепится лотлинь, изготовляемый обычно из стального оцинкованного мягкого тросика (лучше в хлорвиниловой изоляции) диаметром 2 — 3 мм, длиной на 5 м больше максимальной глубины, но не более 30 м. Вес лота 3 — 6 кг.

Рис. 25. Лот промерный ЛПР-48

Лотлинь через 10 или 20 см, начиная со дна, маркируется проволокой или лентами, причем должны выделяться формой или цветом метровые и 5-метровые марки.

4.5. Рыбалот (рис. 26) для измерения глубин на плотных грунтах состоит из тяжелого рыбообразного грузила (из чугуна или другого тяжелого металла) с хвостовиком из листового железа и с приклепанным сверху пером с тремя отверстиями для регулирования дифферента. Грузило подвешивается на 3-миллиметровом тросе.

Рис. 26. Рыбалот (груз ГГР)

На глубинах до 30 м и малой скорости течения достаточен вес рыбалота 10 кг. Рыбалот спускается с гидрологической (морской) лебедки. Глубины отсчитывают или по маркам, или, лучше, по блок-счетчику. При промере грузило не извлекается из воды после каждого измерения глубины, а лишь приподнимается на 1 — 1,5 м над дном.

Необходим контроль за положением блок-счетчика на нуле в момент касания грузом поверхности воды. При движении катера и при течении лотлинь отклоняется от вертикали, что влечет за собой удлинение троса. В специальных инструкциях приведены таблицы поправок, которые следует вычитать из показаний счетчика.

Точность измерения глубин рыбалотом 0,1 м.

4.6. Эхолот — современный прибор для беспрерывной записи глубин, замеряемых с промерных судов (рис. 27). Показания эхолота изображаются на эхограмме, которая должна быть достаточно четкой, иметь линии поверхности воды при промере и нуля отсчета. Для надежности привязки глубин к месту требуются достаточная густота точек обсервации и точность их привязки к опорной сети.

Рис. 27. Эхолот ПЭЛ-3:

а — принципиальная схема; б — панель управления; в — внутренний вид; 1 — электродвигатель; 2 — редуктор; 3 — барабан; 4 — пишущая линейка; 5 — посыльный кулачок; 6 — посылочные контакты; К — контакт замыкания; С — конденсатор; ВИ — вибратор-излучатель; ВП — вибратор-приемник; У — усилитель; Тр — трансформатор; 7 и 8 — тумблеры включения в цепь питания и ввода в действие; 9 — вольтметр; 10 — смотровое окно; 11 — лампа контроля оборотов; 12 — индикатор оборотов; 13 — переключение масштабов; 14 — регулятор усиления; 15 — включение блоков контроля оборотов; 16 и 22 — шкивы вращения барабана; 17 — электромотор; 18 — перо; 19 — токосъемная шина; 20 — редуктор; 21 — зубчатый ремень; 23 — электротермическая бумага; 24 — шкала глубин

В настоящее время отечественной промышленностью выпускается около 15 типов эхолотов (НЭЛ, ПЭЛ и др.), предназначенных для работы в различных условиях. Среди них пока нет эхолота переносного типа, дающего достаточно хорошие результаты при промерах в морской воде на малых глубинах. Наибольшее распространение сейчас получил эхолот ПЭЛ-3 (рис. 27).

4.7. Через каждые 4 — 6 ч работы эхолота, а также обязательно перед началом промера и после него следует производить тарирование эхолота над широкой утяжеленной доской, подвешиваемой точно на заданных глубинах 1 — 2 - 3 — 5 - 7 — 10 м, сначала опуская, а затем поднимая ее. Результаты тарирования записываются на общей эхограмме промера. При заметном изменении мутности, температуры и солености воды следует тарировать эхолот заново. На эхограмме отмечается число оборотов мотора n.

4.8. Во время работы эхолота нельзя передвигаться по катеру, брать на борт, спускать или перемещать людей и тяжелые предметы.

Вибраторы эхолотов должны крепиться в средней части судна, где качка и дифферент, а также завихрение струй воды при движении судна наименьшие.

При наличии крена или дифферента, постоянно возникающих на ходу при движении судна со скоростью промера и превышающих половину точности промера, вводится постоянная поправка \Delta H_{0} за изменение осадки вибратора. Правильнее определять эту осадку на ходу судна.

Большинство эхолотов требует предварительного прогрева ламп в течение 10 — 15 мин.

4.9. В момент обмена сигналами с наблюдателями, работающими у теодолитов, делается на эхограмме пометка точки обсервации вертикальной чертой с точным (до 1 мин) указанием времени засечки и вида сигнала.

Желательно пользование портативными рациями малого радиуса слышимости, типа «Ласточка» или «Карат». Рации находятся как на судне, так и у наблюдателей при теодолитах. Засечки при радиометоде получаются значительно точнее, чем при отмашках флагом или с подачей иных сигналов.

4.10 Общая поправка записи эхолота \Delta H_{\text{э}} вычисляется как сумма

\Delta H_{\text{э}} = \Delta H_{\text{т}} + \Delta H_{n} + \Delta H_{0},

где \Delta H_{\text{т}} — поправка на тарирование;

\Delta H_{n} — поправка на отклонение скорости вращения электромотора эхолота от зафиксированной во времени тарирования;

\Delta H_{0} — поправка на изменение осадки вибратора на ходу.

Поправка на тарирование \Delta H_{\text{т}} = H - H_{\text{э}} (где H — действительная глубина подвеса тарировочной доски, Hэ — запись эхолота).

Поправка на число оборотов вычисляется по одной из двух формул

\Delta H_{n} = \frac{n_{\text{т}} - n_{H}}{n_{H}} или \Delta H_{n} = \frac{t_{H} - t_{\text{т}}}{t_{\text{т}}} ,

где n — число оборотов мотора;

t — время 60 или 90 вспышек неоновой лампочки; индекс т при тарировании; индекс H при промере.

Допускается отклонение скорости оборотов мотора от бывшей при тарировании на 0,5%, при большем отклонении записывается на эхограмме значение nH или tH, а при обработке вводится поправка \Delta H_{n} .

4.11. Процессы снятия и выписки глубин с эхограмм и составления планов глубин акваторий описаны в соответствующих инструкциях [29, 88].

Глава VI. КАРТИРОВАНИЕ ГРУНТОВ ДНА И ПЛЯЖА

§ 1. Порядок производства отбора образцов грунта

1.1. Картированию донных отложений и грунтов пляжа должно предшествовать изучение топографических и гидрографических карт (или планов) района работ, а также ранее составленных геоморфологических, морфодинамических и грунтовых карт.

1.2. Обычно отбор образцов грунта производится одновременно с промерными работами по профилям, расстояния между которыми зависят от масштаба промеров и сложности геоморфологических условий исследуемого участка.

1.3 Места отбора образцов на профиле намечаются:

а) с учетом рельефа подводного склона. Например, образцы должны отбираться на гребне, у подошвы вала, в ложбине и т.д., а на малых глубинах — чаще, чем на бульших , и более часто в тех местах, где рельеф более сложный;

б) по профилю не реже, чем через 1 м увеличения глубины, обычно расстояние между ними — 50 — 100 м;

в) с одинаковых глубин на всех профилях.

Образцы грунтов с пляжа отбираются на урезе, в зоне заплеска, с вершины и за вершиной штормового вала на каждом профиле, а также по мере видимых изменений состава наносов.

1.4. Количество образцов, отбираемых при картировании донных отложений и грунтов пляжа в зависимости от типа водного объекта, ориентировочно определяется по табл. 11.

Таблица 11

Ориентировочное количество образцов грунта на акватории

1.5. При отборе образца грунта определяются инструментально местоположение точки отбора и глубины места.

§ 2. Приборы для отбора образцов грунта. Оснащение плавсредств

2.1. Картирование донных отложений выполняется при помощи грунтовых и вибропоршневых трубок, дночерпателей и донных щупов, а также путем непосредственного отбора образцов аквалангистами.

Картирование грунтов пляжа производится путем отбора проб грунта с поверхности пляжа.

2.2. Обычные грунтовые трубки преимущественно используются при работах на заиленных грунтах, донные щупы — на песчаных, а дночерпатели — на любых. Вибропоршневые трубки позволяют отбирать колонки как связных, так и рыхлых грунтов, вплоть до галечниковых, если только диаметр гальки меньше внутреннего диаметра трубки. Отбор образцов указанными приборами производится обычно с небольших судов. Сбор поверхностных грунтов предпочтительнее поручать аквалангистам, которые могут работать до глубины 30 — 40 м. Данные, получаемые ими, особенно ценны при сложном рельефе дна и значительной пестроте поверхностных грунтов.

2.3. Наиболее распространенными приборами для отбора образцов грунта в прибрежной зоне являются: грунтовые трубки ТГ-1 (ГОИНа) и ТНХ-Л, вибропоршневая трубка Института Океанологии АН СССР, донные щупы Аполлова, ГР-69 и дночерпатель малой модели ДЧ-0,25.

2.4. Грунтовая трубка ГОИНа ТГ-1 (рис. 28) действует по принципу удара и заглубляется в грунт за счет своего веса и скорости падения. Трубка ТГ-1 представляет собой стальную трубу, внутрь которой вставляется разъемный (разрезанный по длине) вкладыш, выполненный из тонкостенной латунной трубы. Вкладыш удерживается в трубе наконечником, имеющим острую кромку для врезания в грунт. На противоположный конец трубки навинчивается груз со стабилизатором. Здесь также расположен клапан, открывающийся при опускании трубки и закрывающийся при ее подъеме. Клапан предохраняет образец грунта от вымывания и выпадения.

Рис. 28. Грунтовая трубка (ТГ):

а — схема; б — общий вид; 1 — берущая труба; 2 — груз; 3 — клапан; 4 — головка; 5 — крюк; 6 — стабилизатор; 7 — вкладыш; 8 — наконечник

Работа с трубкой ТГ-1 производится на стоянке судна с лебедки, для чего трубка крепится к тросу лебедки за скобу, прикрепленную к грузу. Вес трубки 14 кг, длина 1 м (и 1,5 м у трубки ТГ-1,5).

2.5. Грунтовая ударная трубка ТНХ-Л (рис. 29) предназначена для взятия образцов грунта на ходу и в дрейфе на глубинах более 5 м и работает на том же принципе, что и трубка ТГ-1. При ударе трубки о грунт натяжение рабочего троса ослабляется и крюк-сбрасыватель под действием противовеса поворачивается, сбрасывая кольцо. Спуск и подъем трубки производится при помощи лебедки. Вес трубки ТНХ-Л 19 кг, длина 1,2 м.

Рис. 29. Грунтовая трубка ТНХ-Л

2.6. Вибропоршневая грунтовая трубка малой модели действует по принципу заглубления в грунт под собственной тяжестью и направленной вертикально вибрацией (рис. 30, 31). Вибропоршневая грунтовая трубка состоит из колонковой трубы 2, электромеханического вибратора 5 в водонепроницаемом корпусе, соединенного шарнирно с вершиной колонковой трубы, каретки 6, на которой укреплен вибратор, двух направляющих труб 3, платформы 12 для установки вибропоршневой трубки на дно и поршня 1, расположенного в колонковой трубе. На нижний конец колонковой трубы навинчен наконечник с острой кромкой, который снабжен многолепестковым пружинящим клапаном. Колонковая труба изготовляется из отрезка цельнотянутой трубы нержавеющей стали диаметром 62 — 68 мм и длиной до 2 м.

Рис. 30. Вибропоршневая трубка ВПТ-54:

1 — поршень; 2 — колонковая трубка; 3 — направляющие; 4 — трос поршня; 5 — вибратор; 6 — каретка; 7 — качающаяся муфта; 8 — подставная муфта; 9 — дверца; 10 — крючок; 11 — нож; 12 — подставка; 13 — кабель; 14 — гнездо

Рис. 31. Схема работы виброгрунтоотборника:

1 — кран-стрела; 2 — пульт управления; 3 — лебедка; 4 — трос; 5 — кабель; 6 — направляющая подставка; 7 — вибратор; 8 — грунтоотборная колонковая труба

При установке вибропоршневой трубки на дно поршень находится в нижней части колонковой трубы. При включении вибратора вибрация через каретку передается колонковой трубе, которая постепенно заглубляется в грунт. Вибратор вместе с трубой перемещается вниз по направляющим, в то время как поршень остается неподвижным относительно дна.

Питание вибратора осуществляется передвижной электростанцией типа ЖЭС-4 на 220/380 В. Вибратор с электростанцией соединяется трехжильным кабелем в резиновой оболочке. Для вытеснения грунта из колонковой трубы применяется ручной гидронасос. При помощи вибропоршневой трубки можно отбирать колонки грунта как со дна моря, так и на суше.

За последние годы разработано много различных конструкций вибропоршневых трубок. Они различаются длиной, диаметром берущей трубы, расположением и типом вибраторов, наличием специальных пластиковых пеналов, в которых проба фиксируется в момент взятия.

2.7. Если необходимо получить образец грунта дна определенной толщины, как, например, при производстве экспериментов с люминофорным песком, то весьма удобен прибор, действующий по принципу рубанка, называемый «струг» (рис. 32). При подсчете числа светящихся зерен из образца, взятого стругом, можно отбирать любое количество песка, так как толщина слоя известна и результаты можно пересчитать на любую поверхность дна.

Рис. 32. Струг:

1 — крышка отверстия для слива воды; 2 — съемный нож; 3 — пробка; 4 — зажимной винт для ножа

2.8. Донный щуп (рис. 33) предназначен для взятия образцов донных отложений на глубинах до 6 м. Щуп состоит из заборного стакана и противовеса, который может вращаться в вертикальной плоскости. В верхней части прибора имеется либо наконечник, который закрепляется на штанге или шесте, либо кольцо для троса и стабилизатор.

Рис. 33. Донный щуп:

а — схема действия и конструкция; б — общий вид; в — вид деталей; 1 — положение I; 2 — положение II; 3 — положение III; 4 — стабилизатор; 5 — защелка; 6 — груз; 7 — грунтозаборная трубка; 8 — линия среза

Для отбора образца грунта стакан вдавливается в грунт под действием силы, прилагаемой к штанге, или силы собственного веса. При подъеме щупа стакан под тяжестью противовеса перевертывается заборным отверстием вверх и в таком положении поднимается на поверхность. Грунт извлекается с помощью поршня. Вес донного щупа около 4 кг.

2.9. Донный щуп Аполлова, а также его многочисленные модификации основаны на принципе врезания в грунт под действием своего веса. Щуп состоит из трех основных частей: грунтозаборной трубки, груза и стабилизатора.

Грунтозаборная трубка снабжена поршнем для выталкивания образца грунта. За борт щуп опускается на лине, быстро погружается на дно в вертикальном положении и вонзается в грунт.

На палубу щуп поднимается в перевернутом состоянии вручную. Вес щупа от 3 до 12 кг в зависимости от конструктивного оформления.

2.10. Дночерпатель ДЧ-0,25 (рис. 34) предназначен для сбора поверхностного слоя донных отложений; он состоит из двух вращающихся на оси скребков и крюка-сбрасывателя, обойма которого соединяется со скребками при помощи троса. Скребки имеют острые режущие кромки и грузы для лучшего врезания в грунт, к ним прикреплены цепи, поддерживающие дночерпатель открытым при спуске. Перед опусканием дночерпатель за скобу прикрепляется к тросу лебедки, а цепная скоба надевается на крюк-сбрасыватель, после чего скребки дночерпателя раскрываются и остаются в раскрытом положении.

Рис. 34. Дночерпатель ДЧ-0,25

При достижении дночерпателем дна трос и цепи ослабляются, крюк-сбрасыватель поворачивается и освобождает скобу с цепями. При подъеме дночерпателя трос стягивает створки ковша, которые захватывают поверхностный слой грунта. Спуск и подъем дночерпателя производится, как правило, при помощи лебедки. Вес дночерпателя 13 кг.

2.11. Отбор образцов грунта в прибрежной зоне может выполняться как с самоходных плавсредств, так и с гребных (моторных) шлюпок и понтонов. Выбор плавсредств определяется способом отбора проб грунта.

В случае значительного удаления от берегов наличие самоходного судна необходимо независимо от применяемых приборов отбора проб грунта.

2.12. Наилучшим плавсредством для выполнения работ вблизи берега является большой плавающий автомобиль (амфибия) типа БАВ-485. Из-за наличия у берега подводных песчаных валов, каменных банок и отмелей катер не может подойти вплотную к берегу, а на шлюпке, в условиях ветрового волнения, промерно-грунтовые работы трудно выполнимы. Кроме того, на шлюпке трудно разместить эхолот и питание к нему; условия работы на шлюпке в целом очень стеснены. Амфибия БАВ-485 лишена указанных недостатков. Промерно-грунтовые работы на ней можно вести при волнении до 2 — 3 баллов.

Для выполнения промерно-грунтовых работ на амфибии, кроме водителя, необходимо иметь 3 — 4 человека (промерщик-эхолотчик, отборщик грунта, сигнальщик-радиооператор, регистратор).

2.13. При работе с грунтовыми трубками, дночерпателями и подобными приборами плавсредства, кроме ручной или механической лебедки, должны иметь место для хранения проб грунта.

2.14. При работе с вибропоршневой трубкой необходимо иметь малотоннажное самоходное судно, оборудованное механической лебедкой с кранбалкой, обеспечивающей вынос трубки за борт, опускание ее на дно с последующим подъемом на палубу. На палубе должна быть свободная площадка, необходимая для установки трубки и электростанции, а также место для выталкивания и обработки колонки грунта.

Двухметровая модель вибротрубки может применяться также с амфибии (БАВ-485), на которой устанавливается для этого малая лебедка с тросом и генератор тока.

2.15. При работе с донным щупом специальных приспособлений для его опускания и подъема не требуется.

2.16. При взятии образцов грунта дночерпателем последний следует опускать на дно два-три раза в каждой точке, чтобы избежать случайных проб, не отражающих истинной картины распределения пород грунта на дне. Сохраняются все образцы.

2.17. Образцы грунтов, отобранные различными приборами и поднятые на палубу, тотчас же извлекаются из приборов. При извлечении образца необходимо сохранить последовательность слоев. Образцы грунтов, отобранные дночерпателем, лучше всего обрабатывать на палубе в ящике с низкими (3 — 4 см) стенками, а колонки — на листе фанеры.

В образце должно содержаться не менее 200 — 500 г грунта для проведения различных анализов и повторной проверки их результатов.

2.18. Образцы песка с подводного берегового склона и с пляжа помещают вместе с этикеткой в геологический мешочек.

Илистые отложения высушивают и хранят вместе с пергаментной этикеткой в стеклянных банках, которые потом заливают менделеевской замазкой или парафином.

2.19. Колонки грунта, полученные при работе с грунтовыми трубками, упаковывают в зависимости от характера грунта. Илистые колонки отрезками до 50 см обычно заворачивают в пергаментную бумагу и помещают в специальный фанерный пенал или алюминиевый желоб, на котором знаком «+» обозначается верх, а знаком «-» — низ колонки. На самом отрезке колонки знаки «+» и «-» также выдавливаются шпателем. Каждая колонка снабжается этикеткой, на которой указывается номер точки отбора, место отбора, глубина данного слоя в колонке, дата и фамилия исполнителя.

Колонки песчаных грунтов, лишенных слоистости, делят на куски по 10 — 15 см длиной и упаковывают в геологические мешочки. В этом случае в этикетке дополнительно указывается горизонт, с которого взят образец. Если песок слоист, то пробу парафинируют в ненарушенном состоянии или отбирают ножом слои по отдельности. В этом случае вес пробы может составлять несколько десятков граммов. Указанная операция очень важна, так как послойное исследование может отражать сезонный ход отложения или воздействие сильных штормов.

2.20. Отобранные образцы грунтов описываются сразу же после их отбора. Задержка с описанием может привести к тому, что ряд свойств грунта и, в частности, микрослоистость, цвет и консистенция изменятся и будут описаны неверно.

При описании колонок илистых отложений рекомендуется соскоблить в поперечном направлении поверхностный (смазанный) слой грунта для выявления его структуры.

Описание должно содержать следующие сведения: дата, место отбора, номер образца, глубина места в точке отбора, тип прибора, которым производился отбор, длина колонки грунта (если проба взята грунтовой трубкой), характеристика пробы по слоям (сверху вниз). В характеристике указывается категория грунта (галька, песок, алеврит и т.д.), цвет, консистенция (жидкий, мягкий, плотный, вязкий), запах, включения и мощность слоев в сантиметрах.

2.21. При определении и нанесении на карту типов грунта руководствуются условными обозначениями, помещенными на рис. 35.

Рис. 35. Условные обозначения типов грунта:

1 — валуны; 2 — галька и щебень; 3 — глина; 4 — глинистый ил; 5 — гравий и хрящ; 6 — изгарь (конкреции); 7 — ил; 8 — илистый песок; 9 — скала (камень); 10 — песок; 11 — песчанистый ил; 12 — плита; 13 — пылеватый песок; 14 — ракуша; 15 — битая ракуша

§ 3. Производство анализов проб грунта

3.1. Литологические исследования образцов грунта производятся в лаборатории. Образцы разбираются, просматриваются и описываются в сухом состоянии. Производится отбор проб грунта из отдельных образцов на различные анализы.

3.2. Гранулометрический анализ заключается в разделении пробы на фракции определенных крупностей; для гравия и песка с помощью набора стандартных сит, а для илистых грунтов — в водной среде пипеточным или иным методом, согласно существующим инструкциям [72].

В зависимости от поставленных задач и состава наносов могут потребоваться также петрографический, минералогический и химический анализы, в частности определение карбонатности отложений и содержания в них органического вещества.

При изучении наносов и их динамики обязателен гранулометрический анализ.

3.3. При картировании грунтов на заданной площади акватории отбор проб для гранулометрического анализа производится в количествах, определяемых по табл. 12.

Таблица 12

Количество проб для гранулометрического анализа

3.4. Большое значение имеет изучение вещественного состава материала наносов.

Установление типа горной породы отдельных галек производится визуально [34].

В каждом районе подобная работа начинается с составления эталонных образцов галек всех встречающихся на пляже типов. Таких образцов в коллекции эталонов набирается иногда более сотни. Проба для анализа должна содержать не менее 200 галек. Для исключения возможности субъективного отбора галек поступают следующим образом. Изготавливают квадратную рамку из толстой проволоки с длиной сторон 0,5 м и помещают ее на нужную точку пляжа. Затем мелом метят все гальки поверхностного слоя и только их собирают в геологический мешочек. Такие пробы берут с нескольких точек профиля пляжа (по зонам различной крупности) и из них отбирают среднюю методом квартования, чтобы число галек составило около 200. При анализе каждую гальку раскалывают молотком, в результате чего виден свежий излом породы. По мере приобретения опыта большинство простых видов пород можно определять без раскалывания. Данные (%) каждого типа пород наносят на карточку или записывают в журнал.

Те типы пород, которые явно являются специфичными для определенного источника, исследуют более подробно, изготовляя с них шлифы и описывая под поляризационным микроскопом.

Для указанного вида работы требуется также получить аналогичные данные (сбор проб) по аллювию каждой реки и по выходам коренных пород в клифах. Это позволяет точно установить источники поступления галечного материала на пляж [35].

Вещественный состав частиц гравия и песка диаметром крупнее 0,25 мм определяют путем просмотра и подсчета под бинокулярным микроскопом. При этом типы пород определить обычно не удается. Однако легко отличимы обломки организмов и некоторые распространенные минералы.

Во фракциях диаметром 0,25 — 0,05 мм концентрируются разнообразные минералы тяжелой фракции. Для их выделения используются жидкости большого удельного веса (бромоформ, йодистая ртуть и др.). Крупные фракции разделяются в делительных воронках, мелкие — на центрифуге в тех же тяжелых жидкостях. Упрощенный минералогический анализ делают путем отделения железосодержащих минералов магнитом или электромагнитом.

3.5. Определение карбонатности (количества ракушечного материала в составе наносов) в простейшем случае состоит в обработке навески песка соляной кислотой с последующими промывкой, сушкой и определением веса сухого остатка.

Для более точного определения карбонатности применяются приборы и методы, при которых при обработке соляной кислотой улавливается количество углекислого газа, соединяющегося с натронной известью.

3.6. Для выбора проб, которые следует подвергнуть гранулометрическому анализу и анализу вещественного состава, на карто-схеме сначала выделяются ареалы или зоны распределения различных типов грунта и наносов, определенных визуально. Пробы на анализ выбираются произвольно из центральной части и периферии каждой зоны (ареала), у берега гуще, вдали от него реже. В среднем на этой первой фазе работы достаточно отобрать по 5 — 6 проб до глубины 20 м по разрезам через каждые 0,5 км или, при площадном покрытии мелководий, по 10 — 20 проб с 1 км2.

Полученные аналитические данные покажут степень однородности наносного покрова. На тех участках, где различия между составом смежных проанализированных проб достаточно велики, из полученных образцов отбираются дополнительно промежуточные. Эту операцию можно повторить, пока методом последовательного приближения не будет составлена карта, на которой можно достаточно обоснованно наносить изолинии (%) различных фракций или содержания характерных компонентов вещественного состава грунта (например, отдельных минералов или их групп).

§ 4. Составление и сопоставление карт донных отложений

4.1. На картах донных отложений (грунтовых картах) условными знаками показывается распределение различных типов грунтов на поверхности дна (или на некотором заданном горизонте). Для обозначения типов грунтов рекомендуется применять знаки, показанные на рис. 35.

4.2. Основой для составления карты донных отложений служат план промеров глубин и топографическая съемка приурезовой полосы участка (района) исследований с нанесенными изобатами и горизонталями. Частота, с которой проводятся изобаты и горизонтали, должна обеспечить четкую характеристику рельефа. Рекомендуется сечение рельефа через 0,25 — 0,5 м.

4.3. Для суждения о разносе материала по акватории и решения некоторых других задач составляются не только обычные карты донных отложений и наносов по их преобладающей крупности или составу, но также карты распределения по акватории отдельных фракций, различных видов тяжелых минералов или их комплексов с соответствующей характеристикой. По таким картам удается иногда устанавливать источник питания наносами.

4.4. Грунтовой карте должно сопутствовать описание грунтов. В начале описания указываются использованные при составлении карты материалы, методика сбора и обработки проб грунта. Далее приводится детальное описание свойств, состава и распределения грунтов на участке картирования. Описание сопровождается таблицами и графиками (гистограммы, кумулятивные кривые и т.п.) и определением значений медиан, коэффициентов сортировки и др.

4.5. Грунтовые карты, построенные по материалам повторного картирования, сопоставляются между собой и все происшедшие изменения в типах, составе и распределении грунтов, а также в глубинах на участке исследований детально описываются и на их основе, по возможности, делаются выводы относительно динамики наносных образований. Для этой цели используются также результаты подводных обследований (гл. VII) и экспериментальных работ по изучению перемещения взвешенных (гл. VIII) и влекомых (гл. IX) наносов.

Глава VII. ВОДОЛАЗНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕРЕГОВОГО СКЛОНА

§ 1. Организация, состав и методика работ

1.1. Водолазные исследования берегового склона выполняются специализированным исследовательским отрядом. Входящая в его состав группа водолазов комплектуется из специалистов, прошедших водолазную подготовку. Задание и разрешение на выполнение исследований под водой выдается руководителем института (организации, подразделения) в установленном порядке. Организация работы отряда (управление, обеспечение техническими средствами, материалами, решение вопросов безопасности и других вопросов, связанных с водолазной специализацией группы и выполнением водолазных исследований) осуществляется в соответствии с требованиями «Единых правил охраны труда на водолазных работах» [20], а также с требованиями соответствующих ведомственных руководящих документов.

1.2. Опыт выполнения водолазных исследований в береговой зоне в настоящее время недостаточен для разработки нормативных документов на уровне инструкций. Поэтому в данной главе представлены рекомендации, касающиеся организации и методики отдельных сторон таких исследований.

1.3 В состав водолазных исследований в береговой зоне, связанных с изучением перемещения наносов, входят:

• изучение особенностей микро- и мезорельефа дна, его картирование, исследование деформаций рельефа дна во времени;
• исследование факторов, определяющих перемещение наносов и деформацию донных отложений;
• исследование литологических особенностей, физико-механических свойств наносов и грунтов под водой;
• выявление закономерностей перемещения наносов с целью прогнозирования возможных изменений рельефа;
• исследования в специальных целях (например, для обоснования рекомендаций по обеспечению стабильности берегового склона и их проверки в натурных условиях).

1.4. Получение необходимой информации при водолазных литодинамических исследованиях обеспечивается комплексом следующих работ:

• визуальным осмотром;
• водолазным промером;
• сбором данных по гидрологии (измерением температуры, прозрачности воды, скорости и направления течения у дна и в толще воды и т.д.);
• определением состава и состояния грунта под водой и отбором проб грунта;
• измерением мощности активного слоя наносов и наблюдением за перемещением индикаторов;
• фотокиносъемкой.

1.5. Задачи водолазных исследований определяются программой и техническим заданием. В каждом конкретном случае оговаривается форма, в которой должны быть представлены результаты исследований. В общем случае отчет о проведенных исследованиях должен содержать:

• батиметрическую и грунтовую карту (план) обследованного участка либо профили по заданным маршрутам с пояснениями;
• данные о составе, состоянии и физико-механических свойствах наносов и донных отложений;
• данные о происшедших за определенное время изменениях рельефа дна;
• заключения о причинах, вызвавших изменения рельефа дна с учетом его геологического строения, состава и физико-механических свойств грунтов, геоморфологических особенностей района, а также имевших место воздействий, изменивших рельеф;
• заключения о стабильности рельефа дна и устойчивости его отдельных форм;
• фотодокументацию, подтверждающую и поясняющую полученные результаты.

1.6. Состав отряда водолазных исследований и количество специалистов определяется объемом исследований и их характером. В общем случае, при организации и выполнении полевых работ специалисты распределяются по следующим четырем основным группам:

1. Группа топографов, в задачи которой входит разбивка и закрепление рабочей сети планово-высотного обоснования на берегу и на воде, установка створных знаков, выведение водолазов в необходимые точки и засечки при работе по намеченной программе.

2. Группа обеспечения и страховки водолазов обслуживает водолаза, а также контролирует его работу. Группа работает на плавсредствах обеспечения и осуществляет связь, являясь промежуточным звеном между водолазом, группой топографов и руководителем исследований.

3. Водолазная группа выполняет все намеченные работы под водой, осуществляет непосредственные измерения и наблюдения в соответствии с программой исследований и техническим заданием.

4. Группа обслуживания выполняет подготовительные работы (ограждение района работ, установка вспомогательных приспособлений, вех, буев и т.д.), размечает все необходимые технические средства на берегу и на воде, обеспечивает работу транспортных средств, выполняет задания по обслуживанию.

1.7. Общее руководство работами осуществляется руководителем исследований. Его задача — организовать работу групп и руководить ею, обеспечив качественное выполнение программы исследований в намеченные сроки. Руководитель исследований составляет и обсуждает с исполнителями план ежедневных работ, контролирует готовность технических средств, исправность инструментов и средств обеспечения безопасности, осуществляет систематический контроль и проверку результатов исследований.

1.8. В каждом конкретном случае программой исследований устанавливается перечень материалов и документов, подлежащих сдаче по окончании исследований, и форма их ведения. Руководитель исследований обеспечивает надлежащее выполнение этого требования. Он ведет журнал исследований и работ по установленной форме, осуществляет полевой контроль, приемку материалов и их проверку по принятым пунктам (достаточность, надежность, полнота, допустимость расхождений, правильность заполнения и изображения, ведения журналов и дневников и т.д.). Все замечания по проверкам вписываются в документацию, а недостатки устраняются на месте работ.

1.9. Погружающемуся выдается конкретно оформленное техническое задание, которое регистрируется в журнале работ. Сразу после работы в журнал подробно заносятся все полученные результаты.

§ 2. Планово-высотное обоснование

2.1. На каждом участке, где выполняются водолазные исследования, должно быть закреплено на берегу не менее трех опорных пунктов рабочего планово-высотного обоснования. Планово-высотное обоснование выполняется по общепринятым инструкциям ГУГКа.

2.2. Перед выполнением исследований изготовляются рабочие планшеты, на которые переносятся батиметрические планы соответствующих участков и наносятся пункты рабочего обоснования. Как правило, эти планы составляются в масштабах 1:2000, 1:1000. При необходимости детализации в процессе работ производят редуцирование планов на вспомогательный планшет, составленный в масштабе 1:500 (1:200, 1:100).

2.3. В соответствии с программой работ и техническим заданием на базе имеющихся материалов определяются и наносятся на рабочий планшет предполагаемые узловые точки, являющиеся началом подводных маршрутов или точками выполнения тех или иных наблюдений, а также сетка изолиний (сетка лучей, координатная сетка или то и другое вместе). В отдельных случаях техническим заданием может допускаться использование в рабочих планшетах миллиметровой бумаги.

2.4 Рабочие планшеты предназначаются для:

• определения координат узловых точек и углов их засечек;
• определения направления галсов водолазного промера;
• ведения прокладки определений при измерениях;
• нанесения и корректировки изобат по результатам водолазного промера на участках, представляющих особый интерес.

2.5. Определение места водолаза производится прямой засечкой сигнального буя водолаза (либо другого указателя места водолаза) теодолитами с двух точек рабочего обоснования (базисных точек).

2.6 При проведении исследований планшет используется для решения двух задач:

• получения данных, необходимых для выведения водолаза в узловую точку;
• прокладки точек определений по измеренным теодолитами углам засечек.

В первом случае по известным координатам опорных точек вычисляются углы засечек, во втором — решается обратная задача.

Полученные результаты заносятся в ведомость координат и углов засечек.

Обе задачи могут решаться как аналитическим путем, так и графическим на планшетах по сеткам лучей и по координатным сеткам (или при помощи координатографа), а также с помощью протрактора.

§ 3. Выведение водолаза в узловые точки и определение его местоположения

его местоположения

3.1. Выведение водолаза в узловую точку и определение его планового положения осуществляется группой топографов и группой обеспечения и страховки. При выведении на берегу с помощью теодолитов, ориентированных по углам засечек, выставляются створные знаки. Расстояние между ними должно быть не менее 0,04L, где L — расстояние от створного знака до наиболее удаленной узловой точки.

3.2. Водолаз доставляется в район расположения узловой точки плавсредствами обеспечения. В точке пересечения створов сбрасывается якорь весом 5 — 10 кг с прикрепленным к нему на буйрепе легким надувным пластиковым буем, желательно яркого цвета, диаметром около 30 см. Определение места водолаза производится с теодолитных постов прямыми засечками сигнального буя, буйреп которого выбирается водолазом втугую. (В штилевую погоду без течений определение места водолаза может производиться по выходящим на поверхность пузырям воздуха. При этом обеспечивающий на шлюпке обозначает место выхода пузырей флажком).

3.3. Необходимо вводить поправки на смещение буя и якоря (при падении) течением. Такой учет следует производить при значениях скорости течения свыше 0,1 м/с.

3.4. Поправка на смещение якоря при падении определяется в зависимости от средней скорости течения на каждом 10-метровом отрезке и затем суммируется с учетом направления течения по формуле

\vec{\Delta}_{z} = \frac{z}{V_{\text{я}}} \cdot V_{z\text{ср}},\text{м},

где \vec{\Delta}_{z} — поправка на смещение в направлении течения на глубине z, м;

Vz ср — средняя по глубине z скорость течения, м/с;

Vя — скорость падения якоря (для якоря весом 10 кг составляет примерно 1 м/с).

3.5 Поправка на смещение буя определяется по уравнению

\vec{\Delta} = \frac{1}{2} \rho(V_{z = 0}^{2}C_{D_{1}}A_{1} + V_{z\text{ср}}^{2}C_{D_{2}}A_{2}) \frac{z}{p} ,

где \vec{\Delta} — поправка на смещение буя в направлении течения, м;

\rho — плотность воды, кг/м3;

V_{z = 0} — скорости течения на поверхности, м/с;

Vz ср — средняя скорость течения по глубине, м/с;

C_{D_{1}} и C_{D_{2}} — коэффициенты сопротивления шара и буйрепа в потоках со скоростью V_{z = 0} и V_{z\text{ср}} соответственно;

A₁ и A₂ - площадь сечений шара и буйрепа в потоке, м2;

z — глубина, м;

p — плавучесть системы.

3.6. Для контроля следует производить повторное определение места нескольких точек (в пределах 5% общего числа узловых точек). Расхождение результатов не должно превышать 2 мм в масштабе планшета. В сомнительных случаях назначаются дополнительные измерения.

3.7. Все работы, связанные с выведением водолаза в точку и определением места водолаза, рекомендуется проводить в штилевую погоду, когда течение отсутствует.

§ 4. Рекогносцировочное обследование подводного склона

4.1. Задача рекогносцировочного обследования подводного склона либо отдельных его участков состоит в изучении района работы и выполнении ряда наблюдений, связанных с выбором оптимальной методики исследований и тех или иных технических средств. При рекогносцировочном обследовании проверяются и уточняются данные имеющихся батиметрических планов, выявляются характерные детали рельефа дна, примерный состав, состояние и распределение наносов, гидрологические особенности района и другие представляющие интерес обстоятельства. Цель рекогносцировочного обследования — получение информации для составления технического задания на выполнение детальных исследований, намечаемых программой. Рекогносцировочное обследование может проводиться на любой стадии исследований, как только в этом возникнет необходимость.

4.2. В техническом задании на рекогносцировочное обследование указываются границы (координаты) района обследования, цель и методика обследования, технические средства, порядок выполнения работ, предполагаемые маршруты движения водолаза, время и объем работ, а также форма представления результатов обследования.

4.3. При рекогносцировочном обследовании водолаз проплывает над дном по намеченным маршрутам, выполняет необходимые наблюдения. Получаемая при этом информация передается по телефону обеспечивающему. При плавании под водой используется приборный узел «Подводный лоцман» (ПЛ), рис. 36.

Рис. 36. Навигационный приборный узел «Подводный лоцман» (ПЛ):

1 — магнитный авиационный компас КИ-П, цена деления картушки 5°; 2 — вертушечный лаг, цена деления шкалы 1 м; 3 — манометр-глубиномер (герметизированный деформационный манометр, класс 0,4); 4 — уклономер, показывающий угол наклона плоскости основания приборного узла относительно горизонтального уровня жидкости в кольцевом пазе; 5 — секундомер; 6 — стабилизирующий корпус

4.4 В каждой намеченной заданием точке маршрута определяются следующие данные:

глубина (фактическая), состав и состояние наносов, характер рельефа дна, угол наибольшего наклона дна и направление наклона.

4.5. По указанию руководителя исследований в отдельных точках производится определение места водолаза, а также выполняется ряд необходимых измерений таких, например, как измерение скорости течения, прозрачности воды, освещенности дна и др.

4.6. По результатам рекогносцировочного обследования принимается решение о закреплении некоторых узловых точек на дне. В таких точках устанавливаются рабочие репера (РР). После закрепления точки ее координаты уточняются.

При необходимости, на поверхности воды эти точки обозначаются буями либо вехами.

В качестве РР в зависимости от состава наносов и особенностей их перемещений могут использоваться винтовые или обычные якоря, металлические штыри, забиваемые в дно, бетонные массивы или другие предметы, способ установки которых обеспечивает их неподвижность. РР маркируются в установленном порядке.

Узловые точки могут закрепляться на хорошо отличимых, неподвижных элементах рельефа, например на крупных глыбах, с помощью сверления либо выбивания отверстий шлямбуром, с последующей установкой РР.

§ 5. Водолазный промер

5.1. Водолазный промер является основной частью подводных исследований в береговой зоне. Задача водолазного промера — детальная планово-высотная съемка форм мезо- и микрорельефа дна и его изменений во времени. Преимуществами водолазного промера по сравнению с другими видами являются его высокая точность, достоверность, а также возможность вести одновременно с промером любые необходимые исследования, например исследования состава, состояния и некоторых физико-механических свойств донных отложений и наносов.

Результатом водолазных промеров является серия батиметрических планов и профилей. Их сравнение позволяет сделать объективное заключение об изменениях рельефа дна, происшедших между промерами.

5.2. Основным элементом водолазного промера является промерный профиль. Профиль привязывается к плану, для чего определяются координаты его крайних точек или координаты одной из крайних точек профиля, его длина и направление. Профили прокладываются между узловыми точками и в случае, если узловые точки закреплены, называются закрепленными, в противном случае — свободными.

5.3. В случаях, когда результатом водолазного промера является батиметрический план, расположение промерных профилей и расстояния между ними должны обеспечивать необходимую для составления плана подробность промера. Рекомендуется располагать профили таким образом, чтобы расстояние между промерными точками не превышало бы на планшете 1 — 2 см. При необходимости, подробность промера может изменяться.

5.4. Проложение промерных галсов под водой по выбранным профилям осуществляется по компасу или по ходовому концу (линю). Как правило, первый способ применяется для получения батиметрических планов в плавании по свободным профилям.

5.5. Проложение галсов по компасу выполняется водолазом под водой с приборным узлом ПЛ (см. п. 4.3) по назначенным курсам. Определения производятся в намеченных точках с интервалом не более одного заданного расстояния между профилями. В промежутках между определениями промер выполняется через установленные расстояния либо в представляющих интерес точках. При этом точки остановок определяются по лагу ПЛ. При таком способе промера данные, полученные в точках определений, считаются привязанными. Плановое положение промежуточных точек определяется путем интерполирования. Предполагается, что водолаз между точками определения в плане плывет по прямой. Невязка показаний лага и фактического, определенного по плану расстояния, равномерно распределяется по промежуточным точкам с учетом наклона пути движения водолаза.

Путь, пройденный водолазом во всех его точках, не должен отклоняться от намеченного профиля более чем на 20% заданного расстояния между профилями.

5.6. Определение мест при проложении галсов по компасу производится по методике, изложенной в § 3. Производительность и точность такого промера повышается, если он выполняется в штилевую погоду, при отсутствии течений. В таких условиях на глубинах не более 20 м допускается определение мест по пузырям. При этом должен обеспечиваться надлежащий контроль за скоростью течений.

5.7. При промере на закрепленном профиле его положение на дне фиксируется проволочным линем, размеченным марками через необходимые интервалы. При установке линь закрепляется в узловых точках, причем в одной из них подвижно через блок. К подвижно закрепленному концу линя крепится надувной парашют, обеспечивающий натяжение линя около 5 кг. Водолаз поднимает линь в средней точке профиля над дном так, чтобы он не касался дна по всей длине, и резко опускает его. В ложбинах, для того чтобы линь лег на дно, его дополнительно загружают. Производить установку линя при боковом течении, превышающем 0,1 м/с, не разрешается. Перед началом работ линь компарируется.

5.8. Крайние точки закрепленного профиля являются узловыми точками, их плановое положение известно. Поэтому на закрепленном профиле определение места производится только один раз — в середине профиля и служит для контроля. Отклонение центральной точки линя от намеченного положения не должно превышать 1,0 мм в масштабе планшета, а при съемке в масштабах 1:500, 1:200 и 1:100 быть не более 0,5 мм. Такая проверка проводится дважды: при установке линя и при промере.

5.9. При выполнении водолазного промера по свободным профилям рекомендуется проводить измерения по двум-трем закрепленным профилям на каждые 100 м береговой линии. Направление закрепленных профилей следует выбирать так, чтобы они пересекали свободные профили под углом, близким к прямому. В точках пересечения профилей производится выборочный контроль. Во всех сомнительных случаях обязательно производятся дополнительные наблюдения.

5.10. При измерении глубин водолазом используются измерители двух типов: обратные лоты и системы, основанные на измерении гидростатического давления воды [61, 62].

5.11. Простейшие измерители — обратные лоты — имеют надувные буи плавучестью 10 — 15 кг. В штилевую погоду они позволяют выполнять промер со средней квадратической ошибкой +/- 0,20 м. Преимущества промера обратным лотом — в простоте и надежности измерения, а также в том, что одновременно с измерением глубины в каждой точке может производиться и определение места по положению буя. Недостатки этого способа — низкая производительность и ограниченные условия применения (штиль).

При измерении обратным лотом водолаз выбирает лотлинь вручную с усилием около 5 кг. Отсчет производится трижды, берется среднее из трех показаний. Лотлинь перед каждым промером компарируется. Все марки, сместившиеся больше чем на 5 см, переращивают.

5.12. В качестве простейших измерителей гидростатического давления воды могут использоваться стрелочные деформационные манометры, изолированные герметичными корпусами. Так, образцовый деформационный манометр класса 0,4 со шкалой до 4 атм, установленный на ПЛ, позволяет производить измерения до глубин 40 м со средней квадратической ошибкой +/- 0,12 м при волнении до 2 баллов.

В случаях, когда необходимо производить измерения с бульшей точностью, рекомендуется использовать системы барометрического или гидростатического нивелирования.

5.13. Подводный гидростатический нивелир [61] состоит (рис. 37) из двух чувствительных элементов: трубок 1, соединенных шлангом 2 и заполненных ртутью 3 и бензином 4, эластичных оболочек-сильфонов 5, воздушных поплавков 6, грузиков 7 и системы дистанционного регистрирования положения уровня ртути, включающей струнные датчики 8, соединительные провода 9, и измерительный мост 10. По краям трубок установлены разобщительные краны 11.

Рис. 37. Гидростатический нивелир:

1 — трубки; 2 — соединительный шланг; 3 — ртуть; 4 — бензин, 5 — эластичная оболочка-сильфон; 6 — поплавок; 7 — грузик; 8 — струнный датчик; 9 — соединительные провода; 10 — измерительный мост; 11 — разобщающий кран

Трубки устанавливаются в точках измерений и под действием тяжести грузиков 7 и плавучести поплавков 6 занимают вертикальное положение. Уровень ртути установится в положение а-а', при этом в обеих трубках в электрической измерительной цепи исключаются части струн 8, пропорциональные разности высот точек. Измеряемое превышение соответствует разности электрических сопротивлений цепи, которая фиксируется дистанционной регистрирующей системой.

5.14. Подводный барометрический нивелир [62] (рис. 38) состоит из нивелирной рейки 1 с грузиком 2 и поплавком 3, на которой подвижно установлен воздушный дифференциальный манометр 5, закрепленный на каретке 6. Каретка может перемещаться вдоль рейки и в нужных положениях крепится винтом 4. Манометр состоит из рабочей камеры 7 емкостью 100 см3, камеры демпфера 8 емкостью 50 см3 и компенсационной камеры 9 емкостью 250 см3. Рабочая камера и камера демпфера соединены между собой прозрачной капиллярной трубкой 10 длиной 200 мм с внутренним диаметром 5 мм. Капиллярная трубка снабжена мерной линейкой 11. Демпферная камера сообщается с окружающей средой через отверстие 12, диаметр которого меняется с помощью винта демпфера 13 в пределах 0,2 — 5 мм. Между рабочей и компенсационной камерами установлен разобщительный краник 14. Объем компенсационной камеры изменяется при помощи штока 15. С помощью термометров 16 и 17 осуществляется контроль за постоянством и равенством температуры воды и воздуха в рабочей камере.

Рис. 38. Подводный барометрический нивелир:

1 — нивелирная рейка; 2 — грузик; 3 — поплавок; 4 — фиксирующий винт; 5 — манометр-индикатор горизонта; 6 — каретка; 7 — рабочая камера манометра; 8 — камера демпфера; 9 — компенсационная камера манометра; 10 — капиллярная трубка; 11 — мерная линейка; 12 — отверстие; 13 — винт демпфера; 14 — разобщающий кран; 15 — шток; 16, 17 — термометры, 18 — окно каретки

Дифференциальный манометр 2 играет роль индикатора горизонта. После перестановки рейки из реперной точки А в точку Б (рис. 39), превышение которой подлежит определению, манометр 2 перемещается вдоль рейки в положение, при котором его показание равно показанию в точке А, т.е. устанавливается на горизонт а-а. Разница положений манометра на шкале рейки LБ — LА дает искомое превышение \Delta L . При необходимости перехода на другой горизонт манометр 2 может быть перемещен в новое положение б-б и настроен в нем на «0» путем соответствующей компенсации давления. Возможные за время перестановки рейки изменения давления в районе измерений регистрируются контрольным манометром 1. Перед спуском на воду разобщительный краник 14 закрывается, отверстие 12 полностью открывается, шток 15 ввертывается на одну треть, индикатор горизонта устанавливается в средней точке нивелирной рейки.

Рис. 39. Методика использования барометрического нивелира:

1 — контрольный манометр-индикатор горизонта; 2 — переносный индикатор горизонта

Водолаз с нивелиром спускается на дно и устанавливает его в реперной точке. Для подготовки индикатора горизонта к измерениям мениск устанавливается на нулевом делении линейки капилляра. Для этого водолаз открывает разобщительный краник и перемещает шток компенсационной камеры до установки мениска в необходимом положении. Если после установки на нуль мениск продолжает колебаться, его успокаивают с помощью демпфера 13. После выполнения подготовительных операций водолаз снимает показания термометров 16 и 17 и, убедившись в равенстве температур воздуха в рабочей камере и воды, приступает к измерению превышений.

§ 6. Исследование физико-механических свойств и отбор образцов грунта

6.1. Исследования физико-механических свойств поверхностных слоев грунта под водой сводятся к определению типа грунтов и показателей, характеризующих состояние грунтов.

Тип грунтов оценивается по классификационным и косвенным показателям. При оценке состояния грунтов и наносов исследуются особенности залегания отложений и приводится их характеристика по косвенным показателям (консистенция, пластичность, вязкость и другие). При необходимости более полных наблюдений водолаз производит отбор проб грунта для лабораторного анализа.

6.2. Характеристика грунтов по крупности и составу производится в соответствии с табл. 13. Определение крупности и оценка состава производятся визуально и на ощупь. При описании гравия, галечника и валунов отмечают: состав пород, степень окатанности частиц, их форму, характер поверхности. Обломки различают угловатые, окатанные и полуокатанные. При описании поверхности породы отмечают: гладкая поверхность или неровная, обнажена порода, обросла коркой (железистой, известковой и т.д.) или же покрыта сидячими организмами. Если грубообломочный материал представлен в виде включений, то при описании дополнительно отмечают количество включений и их ориентировку. Определяется цвет пород; при этом на глубинах более 15 м в связи с нарушением цветопередачи используется искусственное освещение. Для определения состава мелкозернистых связных отложений, которые не поддаются визуальной оценке, применяют лабораторные анализы.

Таблица 13

Классификационные и косвенные показатели состава грунтов

6.3. Исследование особенностей залегания наносов необходимо для выявления условий формирования отложений и оценки их подвижности под воздействием рельефообразующих факторов. Залегание наносов характеризуется мощностью слоя, величиной и очертаниями занимаемой площади, уклонами дна, формами рельефа, сортировкой и распределением состава наносов в вертикальном и горизонтальном направлениях, наличием включений. По возможности определяется слоистость и другие особенности текстуры грунтов.

Мощность наносов, а также наличие отдельных включений в их толще определяются с помощью тонкого металлического щупа с сантиметровой разбивкой.

Площадь и границы распространения наносов определенного состава определяются суммой всех данных, полученных при исследованиях и водолазном промере.

Слоистость грунтов может характеризоваться под водой только при обследовании обнажений на склонах или уступах, образующихся при обвалах, оползнях (например, в вершинах каньонов), а также при обследовании стенок шурфов, выкопанных на склоне, образованном связными грунтами. При этом оценивается мощность отдельных слоев, состав и цвет по слоям, наклон слоев и направление наибольшего падения.

При описании структуры и состояния грунтов следует руководствоваться табл. 14.

Таблица 14

Текстура современных морских отложений

6.4. Оценка состояния грунтов может производиться как по косвенным показателям при визуальном осмотре, так и путем специальных наблюдений.

Например, устойчивость склона и несущая способность наносов могут ориентировочно оцениваться по величине сопротивления сдвигу. Измерение сопротивления сдвигу под водой может осуществляться при помощи пластинчатых или винтообразных приспособлений осторожным введением их в слой отложений и последующего смещения, с измерением усилия смещения.

Косвенные показатели состояния грунтов — консистенция, пластичность и вязкость при некотором навыке легко определяются под водой на ощупь.

По консистенции грунты делятся на следующие группы:

1. Жидкая (консистенция сметаны) — грунт растекается.

2. Полужидкая (расплывающаяся) — грунт слегка расплывается, но не растекается.

3. Мягкая — грунт не расплывается — палец легко вдавливается в грунт.

4. Плотная — палец с трудом вдавливается в грунт.

5. Очень плотная — палец не вдавливается, грунт с трудом режется ножом.

Пластичность и вязкость грунтов классифицируются по следующим вспомогательным признакам:

1. Вязкий — сильно налипает на нож, липнет к пальцам.

2. Пластичный — легко принимает и сохраняет придаваемую ему форму.

3. Рассыпающийся — при надавливании пальцем рассыпается на отдельные комочки.

6.5. Отбор образцов грунта осуществляется легководолазом с помощью ручных и механических средств. Расположение точек пробоотбора определяется техническим заданием и зависит от геологических, литолого-морфологических условий района и степени расчленения рельефа. При составлении грунтовых карт на каждые 3 — 5 см2 площади отчетного планшета должно приходиться не менее одного образца.

Образцы отбираются из поверхностного слоя при промере по мере изменения состава или в намеченных заранее местах. Может производиться отбор характерных частиц наносов, например остатков фауны. Без применения специальных средств погружения пробоотборника (электрических или пневматических) легководолаз в состоянии взять образцы лишь в поверхностном слое наносов, а также колонку грунта, длина которой зависит от вязкости грунта (в песке или илах средней плотности — 100 см). Образец отбирается трубкой, которая забивается в грунт кувалдой.

При использовании вибропоршневых трубок со специальных плавсредств рекомендуется устанавливать последние в необходимые места в соответствии с указаниями легководолаза.

6.6. Рекомендуется производить отбор образцов грунтов следующим способом. Тонкостенные трубки осторожно вводятся водолазом в слой грунта, после чего окружающие трубку отложения отодвигаются, а концы трубки закрываются пробками. Полученный образец грунта передается в лабораторию покрытый морской водой и используется для определения плотности, влажности, пористости и структуры грунтов, а также других необходимых характеристик.

6.7. Образцы сразу после извлечения их из воды описывают в журнале. Описание проб производят по слоям. Для каждого слоя в журнале должны быть отмечены:

а) состав, крупность и степень сортировки, б) цвет, в) консистенция, г) пластичность и вязкость, д) включения остатков фауны и флоры, е) текстура.

§ 7. Измерение параметров течения и перемещения наносов

7.1. Измерение скорости и направления течения производится с помощью приборного узла ПЛ. В исходной точке в поток помещается индикатор — любой хорошо различимый предмет, имеющий плавучесть, близкую к нулевой (например, комок водорослей). По компасу определяется направление его перемещения, а с помощью лага и секундомера — расстояние и время.

7.2. При измерении параметров течения на дне исходной точкой может служить любая хорошо заметная деталь рельефа или любой предмет. Индикатор выпускается одновременно с пуском секундомера и перемещается вместе с потоком определенное время t (достаточно 1 мин). По лагу ПЛ определяется расстояние S от исходной точки до индикатора в момент t. Скорость течения V = \frac{S}{t} \text{м}/\text{с} заносится в журнал наблюдений вместе с координатами точки наблюдений и направлением течения. Измерение параметров течения в промежуточном слое производится аналогичным способом. При этом в месте наблюдений устанавливается буй, по буйрепу которого определяют исходную точку на каждом горизонте. Изложенным методом измеряются скорости течения в диапазоне от 0 до 0,5 м/с. Относительная погрешность измерений таким способом не превышает 20%.

7.3. Мощность активного слоя наносов измеряется методами, описанными в § 2 гл. IX.

О направлении перемещения наносов и грунта можно ориентировочно судить по изменению положения различных индикаторов, роль которых могут выполнять находящиеся на дне предметы (пустые консервные банки, затопленные куски дерева и др.). Каждый из таких предметов маркируется и определяются его координаты.

§ 8. Подводная фотосъемка

8.1. Отчетные материалы по результатам подводных исследований сопровождаются фотографиями. Их назначение — наглядно пояснить, а в отдельных случаях количественно охарактеризовать результаты исследований. Кроме этого, фотоснимок является объективным документом, обосновывающим правильность сделанных выводов. В связи с этим желательно результаты исследований сопровождать по возможности большим количеством фото- или кинодокументов.

8.2. Качество фотографического изображения элементов рельефа определяется тем, насколько успешно фотоотпечаток подтверждает полученные результаты. Контрастное выделение важных по смыслу деталей — основное требование, которому должен удовлетворять качественный отпечаток. Проще всего эта задача решается с использованием черно-белых светочувствительных фотоматериалов.

8.3. Качество изображения зависит от правильности определения дистанции съемки, точности ориентирования камеры относительно объекта и точности определения экспозиции. Выбор оптимальной дистанции съемки определяется прозрачностью воды. Точность ориентирования зависит от ошибок при наведении камеры, фокусирования объектива и визирования.

8.4. Целесообразность и возможность использования технических средств подводной фотосъемки определяется характером поставленной задачи и условиями, в которых производится съемка. Масштаб съемки устанавливается в зависимости от прозрачности воды. В случаях, когда в одном кадре не могут быть показаны все необходимые элементы рельефа, применяется панорамирование.

8.5. При обследовании с использованием подводной телевизионной установки изображения объектов могут быть получены с помощью фотосъемки с экрана видеоконтрольного устройства (обычно по качеству они значительно уступают изображениям, полученным при непосредственной съемке).

8.6. Подводная фотосъемка выполняется с помощью фотографической и осветительной аппаратуры, изолированной водонепроницаемыми корпусами, а также вспомогательных приспособлений.

Комплект подводной фотосъемочной аппаратуры состоит из фотокамеры, осветительных средств, насадки видимости (для съемки в малопрозрачной воде), экспонометра и установочной рамки. Рекомендуется использовать комплект универсальной гидрофотосъемочной установки ГФУ Государственного проектно-изыскательского и научно-исследовательского института Черноморниипроект.

В состав ГФУ входят:

• камера, состоящая из фотоаппарата «Зоркий-4C» с объективом «Юпитер-12» и изолирующего бокса УКП Ленинградского оптико-механического объединения. Бокс снабжен усовершенствованным визирнофокусирующим устройством;
• насадка видимости, пирамида длиной 0,4 м весом 12 кг, изготовленная из сплошного куска органического стекла; размер изображаемого пространства — 200 x 300 мм;
• установочная рамка, выполненная из телескопических трубок, обеспечивающих фиксацию камеры относительно объекта съемки в диапазоне расстояний от 0,5 до 1,3 м;
• светильник с лампой накаливания СЦ-82 напряжением 110 В мощностью 1000 Вт;
• подводный экспонометр.

8.7. В настоящее время промышленностью выпускаются изолирующие боксы для фотоаппаратов «Зенит» (Красногорский оптико-механический завод) и фотоаппаратов ФЭД и «Зоркий» (Ленинградское объединение оптико-механических предприятий). Рекомендуется использовать фотоаппараты «Зенит-B» с объективом «Мир-1» или «ФЭД-3» и «Зоркий-4c» с объективом «Юпитер-12».

Для освещения фотографируемых объектов следует использовать водолазные светильники СГП-58, ППС-1000 и др., а также электронные импульсные лампы, помещаемые в герметические боксы.

Величина экспозиции определяется с помощью фотоэлектрических экспонометров, помещенных в изолирующий бокс. Больше других для этого подходят экспонометры с гальванометром, имеющим шкалу, например, «Ленинград-4».

8.8. Для подводной фотосъемки может использоваться любая черно-белая фото- и кинонегативная пленка, а также аэрофотопленка.

Пленка обрабатывается проявителями КЦ-1 или № 2 ГОСТ. Режимы обработки выбираются в зависимости от типа пленки и необходимых значений светочувствительности и коэффициента контрастности.

В табл. 15 приводятся примерные значения светочувствительности S0,85, коэффициента контрастности \gamma и плотности вуали D0 черно-белых негативных пленок, обработанных проявителями КЦ-1 и № 2 ГОСТ в течение 7, 9, 16 мин при температуре раствора 20 °C.

Таблица 15

Характеристики фотоматериалов

Состав проявителей КЦ-1 и № 2 ГОСТ:

Для изготовления отпечатков подходит любая контрастная фотобумага, лучшие результаты достигаются при использовании особоглянцевой и глянцевой бромсеребряной фотобумаги «унибром» № 5, 6 и 7. Для проявления фотобумаги используется проявитель КЦ-1, разбавленный в концентрации 1:2.

Общие вопросы по методике и техническим средствам фотосъемки, правила и порядок составления растворов, обработка пленки и изготовление отпечатков рассматриваются в специальной литературе.

8.9 Процесс получения фотоинформации складывается из трех этапов:

1-й этап — предварительное обследование участка и изучение условий съемки; определение объема необходимой фотоинформации и выбор объектов съемки;

2-й этап — определение положения камеры (точки съемки), направления съемки и дистанции съемки; определение и осуществление мероприятий по увеличению контраста яркости деталей объекта;

3-й этап — ориентирование камеры относительно объекта и экспонирование пленки.

8.10. При предварительном обследовании оцениваются условия, определяющие возможности фотосъемки и выбор технических средств.

При оценке условий выясняют:

• характер объекта фотосъемки;
• место расположения объекта (глубина, плановые координаты, положение относительно солнца, поверхности воды; возможность свободного наблюдения объекта с различных сторон, наличие элементов, затеняющих объект);
• размеры элементов, определяющих состояние объекта;
• состояние элементов объекта съемки (наличие обрастаний, слоя осадков, структура поверхности, цвет), возможность предварительной подготовки места съемки для увеличения наглядности снимка;
• величину естественной освещенности объекта, направленность освещения;
• величину предельной визуальной дальности видимости элементов объекта, ее изменение с изменением точки наблюдения.

По результатам обследования определяют:

• необходимость использования искусственного освещения;
• необходимость использования насадки искусственной видимости или установочной рамки;
• наиболее удобное (с точки зрения освещенности объекта и направленности освещения) время фотосъемки при естественном освещении;
• количество снимков, их содержание;
• характер предварительной подготовки места съемки, необходимость использования вспомогательных средств для увеличения наглядности снимка (очистка места съемки от обрастаний организмами, использование вспомогательных черных или белых фоновых поверхностей, использование масштабных реек, угломеров, отвесов);
• границы кадра, координаты точки расположения камеры, направление съемки (по компасу и уклономеру ПЛ) и расстояние до объекта съемки в каждом конкретном случае;
• примерную величину экспозиции для каждого снимка.

8.11 Повышение качества изображения при подводной фотосъемке достигается следующими путями:

а) увеличением контраста яркости наиболее важных элементов объекта с помощью:

• съемки при боковом направленном солнечном свете;
• съемки при боковом направленном искусственном освещении;
• предварительной расчистки и обработки объектов съемки;

б) уменьшением яркости слоя воды между объектом и фотоаппаратом с помощью:

• замещения мутного слоя воды оптически чистой средой (использование насадок видимости);
• использования схем освещения (искусственного или естественного), при которых слой воды между объектом и фотоаппаратом высвечивается в меньшей степени;
• фотосъемки с минимально возможного расстояния;

в) выделением необходимых деталей в негативном и позитивном процессах с помощью:

• использования контрастных светочувствительных фотоматериалов и режимов обработки, повышающих контраст в изображении;
• ретуши фотоотпечатков.

В связи с низкой эффективностью светофильтров применять их при съемке в мутной воде прибрежных акваторий не рекомендуется.

8.12. Для определения зависимости между величиной экспозиции и плотностью почернения выбранного типа пленки, обработанной в конкретных условиях, рекомендуется проводить экспонометрическую пробную съемку. По результатам пробы строится экспонометрическая таблица, позволяющая определить нужную величину экспозиции при съемке объектов. При этом предполагается, что аппаратура, тип пленки, проявитель и режим проявления при последующей фотосъемке остаются теми же, что и при экспонометрической пробе.

Определение экспозиции при естественном освещении и при освещении лампами накаливания производится с помощью экспонометрической таблицы по показаниям экспонометра. Каждый снимок рекомендуется повторять, увеличив и уменьшив диафрагму на одно значение.

8.13. При освещении объекта импульсной лампой без дополнительного освещения величина диафрагмы определяется из табл. 16 (выдержка постоянна и равна 1/30). Перед съемкой замеряется относительная прозрачность воды — дальность видимости белого диска — zБ, расстояние до объекта съемки l определяется и выдерживается по возможности точнее.

Таблица 16

Значения диафрагм в зависимости от расстояния до объекта съемки l и относительной прозрачности воды zБ

Примечание. Для пленки светочувствительностью S0,85 = 180 ед. ГОСТ при освещении импульсной лампой ИФК-120, энергия вспышки — 120 Дж.

В случае, когда импульсная лампа используется для дополнительной подсветки (смешанное освещение), в данные табл. 16 необходимо вводить соответствующую поправку на дополнительное естественное освещение. Если чувствительность пленки или энергия вспышки отличаются от значений, приведенных в табл. 16, в соответствующее число раз должна быть изменена и экспозиция.

8.14. Оптимальная дистанция съемки — \frac{1}{3} предельной визуальной дальности видимости (lпр) деталей объекта. Съемка с расстояний свыше \frac{l_{\text{пр}}}{2} не рекомендуется. Под водой фотографируется объект, отстоящий от фотоаппарата на мнимом расстоянии l', равном 0,75l — истинного расстояния до объекта. Наводка на резкость под водой по визиру у существующих фотоаппаратов затруднена, поэтому на шкале расстояний объектива устанавливают величину расстояния l' = 0,75l, расстояние до объекта при этом для камер УКП и КПФ определяют «на глаз» либо с помощью мерной планки.

8.15. Панорамирование — получение изображений больших поверхностей с перекрытием отдельных участков этой поверхности — применяется в случаях, когда прозрачность воды не позволяет получить качественное изображение всей необходимой поверхности или когда снимаемые поверхности лежат в разных плоскостях. В результате совмещения всех позитивных изображений получается панорама.

При панорамировании обязательно выполнение следующих требований:

• масштаб всех снимков должен быть строго одинаковым по всей плоскости изображения. Для этого в плоскости предметов следует помещать масштабную рейку, разделенную на дециметровые черные и белые отрезки;
• на каждом снимке должны присутствовать элементы, по которым можно было бы осуществить привязку данного изображения к соседнему.

Для выполнения этих требований фотосъемку всех участков целесообразно производить с одного и того же расстояния; направления съемки всех участков, лежащих в одной плоскости, должны совпадать и быть перпендикулярными к этой плоскости; каждый участок, не имеющий хорошо видимых элементов привязки к соседним участкам, должен быть снабжен таковыми. Лучше всего панорамирование производить с использованием установочной рамки.

При панорамировании больших поверхностей съемку рекомендуется производить вдоль закрепленных профилей, отмеченных линем с разбивкой. При переходе на соседний профиль линь переносится. Расстояние между профилями выбирается равным стороне рамки.

8.16. Съемка с экрана телевизора производится при обследовании дна с помощью подводной телевизионной установки. Изображение на экране фотографируется аппаратами с зеркальным визиром. Фотоаппарат снабжается светозащитным тубусом, который крепится к видеоконтрольному устройству телевизионной установки. Угловые размеры тубуса и его длина определяются углом зрения объектива и размерами экрана телевизора. Наводка на резкость производится по растру экрана видеоконтрольного устройства.

При фотографировании с экрана телевизора может использоваться любая пленка из перечисленных в табл. 15. Выдержка не должна быть меньше 1/30 с. Каждый снимок рекомендуется продублировать. Величина диафрагмы подбирается опытным путем. Яркость экрана должна быть постоянной.

8.17. Все этапы получения фотоинформации сразу же после съемки отражаются в дневнике, где для каждого изображения регистрируются следующие условия съемки:

• положение объекта съемки (координаты, глубина, направление съемки);
• характеристика объекта;
• расстояние по шкале объектива;
• освещенность объекта;
• экспозиция;
• примечания (особые условия).

После обработки пленка маркируется — каждому кадру присваивается свой номер. Контактным способом изготавливаются контрольные отпечатки.

Фотоинформация хранится в фототеке, состоящей из фотокаталога, папки контрольных отпечатков и папки негативов.

По каждой пленке заполняется ведомость фотоотпечатков, где дается подробная характеристика каждого изображения.

Глава VIII. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ, СОСТАВА И РАСХОДА ВЗВЕШЕННЫХ НАНОСОВ

§ 1. Состав полевых работ

1.1. В состав взвешенных наносов при проведении натурных исследований включаются и полувзвешенные (сальтирующие) наносы.

Концентрация и состав взвешенных наносов определяются путем отбора проб воды на мутность на разных горизонтах отдельных вертикалей с последующим гранулометрическим анализом проб или путем регистрации взвеси фотоэлектрическими мутномерами. (Последний метод до настоящего времени не получил широкого распространения из-за отсутствия промышленных образцов приборов и необходимости их тарирования для каждого состава наносов).

1.2. Пробы воды на мутность в мелководной части береговой зоны, ограниченной 1,5-метровой изобатой, отбираются интегрально или на высоте около 20 см от дна, а на больших глубинах — по горизонтам с тем, чтобы количество проб на вертикали было от 3 до 10.

1.3. Отбор проб воды на мутность при помощи батометров различных систем может выполняться с эстакад, причалов, подвесной дороги и со специальных плавсредств. Примером может служить установка при изысканиях на Ждановском канале, организованная экспедицией СоюзморНИИпроекта (рис. 40).

Рис. 40. Наблюдательный пост на Ждановском канале (1955 г.)

1.4. При производстве наблюдений над взвешенными наносами в обязательном порядке должны вестись систематические наблюдения над волнением, течением и ветром. Объем и сроки этих наблюдений определяются в каждом конкретном случае целью исследований.

1.5. Выбору пунктов наблюдений над взвешенными наносами должно предшествовать изучение материалов прошлых лет по естественным условиям и гидрографии района исследований, а также в случае необходимости рекогносцировочное обследование участка работ.

В состав рекогносцировочного обследования входит: изучение побережья и акватории, отбор проб грунта по редкой сетке (10 — 20 проб на 1 км2) с одновременным измерением глубин, рекогносцировочная съемка течений поплавками, визуальные наблюдения над распространением шлейфа мутности при штормовом волнении.

1.6 Вертикали для наблюдений над взвешенными наносами следует располагать:

а) у открытых прямолинейных берегов со спокойным рельефом дна — по профилю, нормальному береговой черте с интервалом примерно через один метр глубины и на расстоянии не менее 500 м один от другого;

б) в бухтах, заливах, у мысов и других образований — в местах наиболее интенсивного взмучивания и на осветленных участках;

в) у гидротехнических сооружений (молы, волноломы, каналы и др.) — в местах, характеризующих работу этих сооружений по перехвату наносов;

г) при сложном рельефе дна участка исследований (наличие подводных валов, банок, каменных гряд и др.) — с учетом влияния форм донного рельефа на изменение концентрации взвешенных наносов, в частности, на вершинах валов и в ложбинах.

1.7. Вертикали должны закрепляться на местности специальными знаками (створы, плавучие буйки и т.п.), чтобы имелась возможность сопоставить материалы наблюдений на одних и тех же вертикалях (рис. 41).

Рис. 41. Схема закрепления пунктов наблюдений:

1 — береговая линия; 2 — изобаты; 3 — магистральный ход; 4 — створ разреза; 5 — береговые створные знаки; 6 — створные буйки; 7 — пункты отбора проб; \alpha — угол визирования

1.8. Из многочисленных наблюдений установлено, что распределение концентрации наносов по вертикали подчиняется одному закону от поверхности до отметки z0 = (0,70 — 0,85)H, где H — глубина вертикали, и другому — в придонном слое — от отметки z0 до дна, где интенсивность роста концентрации резко возрастает вследствие наличия сальтирующих наносов.

По мере утихания шторма муть высокой концентрации осаждается очень быстро. На участках, где муть вызывается приливо-отливными течениями вода осветляется в периоды полной и малой воды буквально за один-два часа, даже на глубинах в 4 — 5 м. Эти обстоятельства надо учитывать при назначении времени и горизонтов отбора проб на вертикали.

§ 2. Батометры для отбора проб воды. Принципы устройства мутномеров

2.1. Для отбора проб воды со взвесью применяются два основных типа батометров — мгновенного и длительного наполнения.

2.2. Из батометров мгновенного наполнения в настоящее время серийно изготавливается батометр Молчанова, другие многочисленные разновидности батометров — как-то батометр ААНИИ, батометр Института океанологии АН СССР, батометр Рогожина и другие относятся к несерийным приборам и, как правило, изготавливаются в ведомственных мастерских.

2.3. Батометр Молчанова ГР-18 состоит из двух одинаковых цилиндров из органического стекла общей емкостью 4 л, связанных между собой металлической рамой. Отверстия цилиндров закрываются герметически свободно откидывающимися подпружиненными крышками. Отбор проб воды на мутность батометром производится путем опускания прибора на тросе на заданную глубину с последующим мгновенным захлопыванием крышек при помощи пружинного механизма, который приводится в действие посыльным грузом (рис. 42).

Рис. 42. Батометр Молчанова ГР-18

2.4. К серийным батометрам длительного наполнения относятся батометр-бутылка ГГИ и вакуумный батометр.

2.5. Батометр-бутылка ГР-16М используется при взятии проб воды на мутность интеграционным способом на глубинах от 1 до 15 м.

Он состоит из литровой бутылки (с толстым стеклом), снабженной металлической головкой, через которую проходят две трубки с насадками, подбираемыми применительно к скорости течения — водозаборная и воздухоотводная. Бутылка вставляется в металлическую обойму при работе со штангой или в корпус рыбовидного груза при работе с лебедки (рис. 43).

Рис. 43. Батометр-бутылка в грузе

2.6. Вакуумный батометр ГР-61 (рис. 44) предназначен для взятия проб воды со взвесью точечным или интеграционным способом на глубинах до 20 м при скоростях течения до 0,5 м/с и на глубинах до 10 м при скорости течения до 1 м/с.

Рис. 44. Вакуумный батометр

Принцип работы батометра основан на засасывании через заборный наконечник проб воды за счет разрежения, создаваемого насосом в вакуумной камере.

Батометр состоит из ручного насоса, вакуумной камеры с водомерным стеклом и водозаборного наконечника, соединенных между собой двумя резиновыми шлангами, а также крана-тройника со струбциной. Объем вакуумной камеры 3 л. Заборный наконечник имеет карабин для крепления к штанге или грузу. Работа с вакуумным батометром может производиться с лодки, катера, понтона, мостков, эстакад и др.

2.7. Для регистрации концентрации взвешенных наносов непосредственно в водной среде некоторыми организациями (исследователями) были разработаны и изготовлены (на стадии опытных образцов) фотоэлектрические мутномеры, принцип работы которых основан на ослаблении светового луча взвешенными в воде частицами. Для монодисперсных частиц коэффициент ослабления однозначно связан с весовой концентрацией наносов и в этом случае расшифровка показаний прибора проста.

В случае нахождения в потоке неоднородных по веществу и размерам частиц расшифровка показаний прибора без привлечения данных о гранулометрическом и вещественном составе частиц и его изменчивости за время измерений невозможна.

2.8. При постановке непрерывных наблюдений над взвешенными наносами в течение длительного времени, например за шторм, применяются наносоуловители открытого типа, которые классифицируются в специальной литературе под термином «точечные наносоуловители».

Конструктивно точечный наносоуловитель представляет собой узкую трубку диаметром до 16 мм и длиной около 30 см с закрытым нижним концом, устанавливаемую на заданном горизонте вертикально.

Принцип работы точечного наносоуловителя основан на том, что количество отложившихся в уловителе наносов пропорционально элементарному расходу наносов и времени наблюдений в точке расположения датчика. Результаты таких измерений могут характеризовать распределение мутности по вертикали и гранулометрический состав наносов.

2.9. В настоящее время промышленностью выпускается дистанционная гидрометрическая установка ГР-70, которая предназначена для измерения глубины, скорости течения и взятия проб воды на мутность при дистанционном управлении с берега. Установка позволяет выполнять измерения на удалении до 100 м и на глубине до 10 м при скорости течения до 2,5 м/с.

Принцип действия установки заключается в перемещении специального гидрометрического груза по створу и по вертикали при помощи тросовой системы. Для фиксации уровня поверхности и дна груз снабжен специальными контактами, а для установки вертушки и батометра предусмотрен специальный кронштейн-вынос. Одна из жил троса — токоведущая, и по ней передается информация от вертушки и контактов груза. Несущий трос натягивается на двух опорах и закреплен по концам мертвыми якорями.

Описываемая установка приспособлена для работы на реках, но может применяться при исследованиях в береговой зоне ограниченной ширины.

§ 3. Способы определения количества и состава взвеси в пробе

3.1. Обработка проб наносов производится в полевых и стационарных лабораториях и от соблюдения правил обращения с пробами и методов лабораторной обработки наносов зависит точность конечных результатов исследований. При элементарном анализе определяются гранулометрический состав и объемный вес наносов.

3.2. В полевых лабораториях производится выделение наносов путем отстоя или фильтрования. Отстой наносов производится при большой их концентрации в пробе, или если пробы предназначены для определения гранулометрического состава наносов, а также если объем пробы превышает 1 л.

3.3. Отстой проб производится в стеклянных цилиндрах с крышками из стекла. Время отстоя, необходимое для полного оседания частиц диаметром до 0,0005 мм при температуре 20°, определяется по формуле

\tau = 0,03h\text{сут},

где h — высота слоя воды в цилиндре, см.

Скорость осаждения мелких частиц можно увеличить путем применения коагулянтов.

По истечении времени отстоя осветленная вода осторожно сливается с помощью сифона, а остаток сливается в стеклянную посуду или выпаривается, высыпается в пакетик из кальки и отсылается в стационарную лабораторию. Если проба предназначена для определения мутности, то остаток в объеме не более литра переливается в бутылку и фильтруется.

3.4. Влажные фильтры оставляются в воронках для просушки; подсохшие фильтры осторожно вынимаются из воронок и укладываются на досушивание. Каждый окончательно просохший фильтр складывается, согласно рис. 45, и упаковывается в пакетик из кальки для отправки в стационарную лабораторию.

Рис. 45. Схема складывания фильтра

3.5. Для ускоренного фильтрования проб воды на мутность применяется прибор Куприна. Он представляет собой баллон из оргстекла, верхняя часть которого закрывается крышкой со штуцером, а нижняя оканчивается уплотнительным кольцом для соединения с воронкой. На внутренней стороне воронки уложена сетка, на которую укладывается бумажный фильтр диаметром 11 см. Через штуцер баллон связан резиновым шлангом с манометром и ручным насосом для создания избыточного давления внутри баллона (рис. 46).

Рис. 46. Фильтровальный прибор Куприна ГР-60

Прибор Куприна рекомендуется применять при мутности не более 1 кг/м3.

3.6. Определение весового количества наносов в фильтрах производится в стационарных лабораториях по разности весов фильтров с наносами и пустых. Взвешивание пустых фильтров производится в бюксах после их 2-часовой просушки в термостате при температуре 105 — 110 °C с последующим охлаждением в эксикаторе.

Каждый взвешенный фильтр должен быть вложен в пакетик из кальки. Точность взвешивания 0,0001 г. Взвешивание фильтров с наносами выполняется в том же порядке, но бюксы с фильтрами выдерживаются в термостате 5 ч.

3.7. Определение гранулометрического состава наносов производится ситовым и пипеточным методами, фракциометром и простым обмером крупных частиц. Применение того или иного метода определяется крупностью частиц и весом образца. При этом вес навесок, отобранных из проб, взятых на одном участке, должен быть одинаков для сопоставимости данных анализов.

Для выполнения анализов методом пипетка-фракциометр величина каждой навески должна быть не менее 5 — 7 г, при ситовом и комбинированном методах (сита-фракциометр) величина навески для песков должна быть 100 — 150 г.

3.8. Для определения удельного и объемного весов наносов вес навески при преобладании фракций до 0,1 мм должен быть не менее 70 г, при преобладании частиц от 0,1 мм до 1 мм — 100 г и при преобладании наносов более 1 мм — 200 — 300 г.

3.9. В основу определения крупности наносов фракциометром и пипеточным методом принята шкала гидравлической крупности ГГИ, т.е. скорости падения частиц в пресной воде при температуре 15° (табл. 17).

Таблица 17

Гидравлическая крупность песчинок

3.10. Для определения гранулометрического состава из всего объема взвешенных наносов (а также донных отложений и влекомых наносов) отбирается средняя проба.

Для крупнозернистых наносов отбор средней пробы выполняется квартованием. Для этого проба рассыпается для просушки на листе бумаги. После полного высыхания образца производится тщательное перемешивание способом «кольца и конуса». После этого конус разрезается лопаткой на четыре равные части, одна из которых и взвешивается. Если требуется меньшая навеска, то одна из четвертей вновь подвергается квартованию.

Отбор средней пробы для мелкозернистых наносов (менее 0,2 мм) производится из рассыпанного ровным слоем на листе бумаги тщательно перемешанного образца. Слой наносов делится на 6 — 8 частей.

Для заиленных песчаных образцов навеска размачивается в двойном объеме дистиллированной воды в течение суток, после чего тщательно растирается резиновым пестиком в фарфоровой ступке и подвергается в ней многократному декантированию (отмучиванию) с целью удаления частиц менее 0,01 мм. Количество отмытых частиц отдельно не учитывается, а относится к частицам менее 0,05 мм, определяемым по разности весов первоначальной навески и суммы фракций, выделенных на фракциометре.

3.11. Ситовой метод как самостоятельный применяется для частиц диаметром от 10 до 0,1 мм. Точность ситового анализа зависит от формы зерен и калибровки сит. Продолжительность просеивания устанавливается по прекращении проскакивания частиц через отверстия сита и не должна превышать 20 мин.

3.12. Для определения гранулометрического состава песчаных наносов с частицами диаметром от 1,0 до 0,05 мм применяются фракциометры (рис. 47 а, б).

Рис. 47. Пипеточная установка ПУ-52 (а) и фракциометр ГР-82 (б)

Принцип действия фракциометра основан на том, что твердые частицы падают в стоячей воде со скоростью, пропорциональной их гидравлической крупности. Фракциометр состоит из цилиндрической стеклянной трубки диаметром 48 мм и длиной 1565 мм, имеющей на верхнем конце воронкообразное уширение, а в нижней части — конусное сужение. К нижнему концу трубки подсоединяется сборная трубка, состоящая из четырех резиновых и трех стеклянных трубок, заканчивающаяся пробиркой. Фракциометр крепится к деревянному основанию, на котором имеются четыре зажима для перекрытия резиновых трубок в моменты, соответствующие выпадению определенных фракций. Градации фракций, отделяемые прибором, 1 — 0,5; 0,5 — 0,2; 0,2 — 0,1 и 0,1 — 0,05 мм.

Перед анализом фракциометр с открытыми зажимами наполняется чистой водой до верхней отметки. Взятую навеску помещают в фарфоровую чашку, смачивают чистой водой и растирают резиновым пестиком в течение 3 — 5 мин до состояния жидкой кашицы. Потом пробу переводят в маленькую коническую колбу, встряхивают и быстро вливают в фракциометр. В момент прохода первой части через верхнюю метку фракциометра включают секундомер и отсчитывают продолжительность падения частицы до нижней метки. Разделив длину пути на время, получают максимальную гидравлическую крупность в мм/с.

Время отделения частиц и расчетные значения гидравлической крупности приведены в табл. 18.

Таблица 18

Расчетные значения гидравлической крупности при t = 15 °C

По истечении 13 мин под фракциометр подставляется фарфоровая чашка, в которую сливается содержание нижней пробирки. Затем подставляется вторая чашка, открывается нижний зажим и сливается часть пробы, заключенная между первым и вторым зажимами. Подобным образом извлекаются частицы, осевшие в трубках между следующими парами зажимов. Фарфоровые чашки с наносами ставятся в песчаную баню для выпаривания воды, а затем взвешиваются с точностью до 0,01 г.

3.13. Пипеточный метод применим для наносов с диаметром менее 0,1 мм и основан на отборе через определенные промежутки времени проб суспензии из мерного сосуда пипеткой под воздействием вакуума, создаваемого в верхнем аспираторном сосуде.

Пипеточная установка (рис. 47) позволяет разделять пробу на следующие фракции: 0,1 — 0,05; 0,05 — 0,01; 0,01 — 0,005 мм и мельче; она состоит из штатива, аспираторных сосудов, смывного сосуда, мешалки, набора бюкс, стеклянных мерных цилиндров и набора резиновых трубок. Установка позволяет вести одновременно до шести анализов.

Перед проведением анализа пипеточным методом из пробы выделяют ситами и фракциометром фракции крупнее 0,1 мм. Подготовленную таким образом пробу выливают в цилиндр и доливают его дистиллированной водой до 1 л. После активного перемешивания включается секундомер и с определенных глубин цилиндра через определенные промежутки времени, характеризующие размер фракции, производится отбор проб пипеткой. Пробы из пипетки переводятся в бюксы для дальнейшей обработки и взвешивания.

3.14. Определение удельного веса наносов производится следующим образом. Отградуированный на 50 — 100 мл пикнометр наполняется до метки дистиллированной водой (t = 15 — 20°), закрывается притертой пробкой и взвешивается с точностью до 0,01 г. После этого вода из пикнометра выливается. Взятая сухая навеска (10 — 15 г) высыпается в этот пикнометр, доливается до половины его объема дистиллированной водой и кипятится в течение 30 мин для удаления воздуха из пор. По окончании кипячения пикнометр охлаждается, доливается водой до метки, закрывается пробкой и вновь взвешивается. Из оставшейся части пробы берется навеска и определяется содержание в ней гигроскопической влаги. Вес навески наносов, всыпанных в пикнометр, перечисляется на вес абсолютно сухой навески по формуле

P = \frac{100f}{100 + e} ,

где f — вес взятой навески;

e — процентное содержание гигроскопической влаги.

Удельный вес наносов определяется по формуле

\gamma = \frac{P}{R + P - m} ,

где R — вес пикнометра с водой;

m — вес пикнометра с пробой.

3.18. Определение объемного веса наносов производится следующим образом. Навеска в воздушно-сухом состоянии весом 25 — 30 г для наносов с преобладанием частиц мельче 0,1 мм, 50 — 70 г для наносов с частицами 0,1 — 1,0 мм и 150 — 250 г для наносов крупнее 1,0 мм, взвешенная с точностью до 0,01 г, растирается с водой в фарфоровой чашке и переводится в стеклянный градуированный цилиндр объемом от 100 до 500 см3. В цилиндр добавляется вода до полного покрытия пробы так, чтобы поверхность воды была на 3 — 4 см выше поверхности отстоявшейся пробы. Перед установкой на длительный отстой наносы тщательно взбалтываются для уплотнения навески и удаления пузырьков воздуха.

Уплотнение наносов производится два раза в день путем постукивания по стенам цилиндра резиновым молоточком в течение 2 дней для средних и крупных наносов и 5 дней для мелких.

Длительность уплотнения глинистых и илистых наносов — 12 дней; при этом следует иметь в виду, что навески из этих наносов предварительно в течение 1 — 2 сут размачиваются в фарфоровой чашке.

Объемный вес наносов определяется по формуле

\gamma\prime = \frac{P}{W} ,

где P — вес навески в абсолютно сухом состоянии;

W — уплотненный объем наносов, см3.

§ 4. Обработка материалов измерений и вычисление расхода взвешенных наносов

4.1. В процессе камеральной обработки данных натурных измерений и лабораторных анализов составляются сводные таблицы наблюдений над взвешенными наносами, ветром, элементами волн и течений.

4.2. По этим таблицам составляются графики, характеризующие влияние гидрометрических факторов на концентрацию и состав наносов в прибрежной зоне, в частности строятся:

а) совмещенный хронологический график изменения концентраций и гранулометрического состава взвеси на разных вертикалях и горизонтах, скорости и направления ветра, элементов волн и скорости течения;

б) графики связи (раздельно по активным румбам) концентрации и состава взвеси на отдельных вертикалях (горизонтах) с ветром или с элементами волн, скоростью течений;

в) графики изменения концентрации взвеси и ее состава по глубине для разных направлений и групп высот волн;

г) графики изменения фракционного состава наносов по горизонтам на разных глубинах и т.д.

Кроме перечисленных, строится график зависимости скорости и направления течений в береговой зоне от скорости и направления ветра.

Полученные графики связи служат основой для вычисления расхода взвешенных наносов за заданный промежуток времени.

4.3. В зависимости от полученных графиков связи расход взвешенных наносов вычисляется для каждого активного румба или по интервалам высот волн или по интервалам скорости ветра.

Порядок вычислений показан в табл. 19, где P, г/м3 — концентрация наносов, V, м/с — скорость течения; \alpha — элементарный расход в точке.

Таблица 19

Расчет элементарных расходов взвешенных наносов при высоте волны (скорость ветра) от ..... до .....

Элементарный расход взвешенных наносов на вертикали r и полный расход по профилю R в течение заданного отрезка времени вычисляются аналитическими или графическими методами

r = \sum \alpha\Delta H^{2},

где \Delta H — расстояние по вертикали между точками определения концентрации P.

R = 0,001(\frac{2}{3} r_{1}l_{0} + \frac{r_{1} + r_{2}}{2} l_{1} + ... + \frac{r_{n - 1} + r_{n}}{2} l_{n - 1} + \frac{2}{3} r_{n}l_{n})\text{кг}/\text{с}.

Здесь l — расстояние между вертикалями, l0 — расстояние от уреза до первой вертикали.

Если профиль обрывается на глубине Hn, последний член в этой формуле отсутствует.

Глава IX. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И РАСХОДА ДОННЫХ НАНОСОВ

§ 1. Общие замечания

1.1. Движение наносов по дну совершается путем скольжения или перекатывания отдельных частиц. При этом вся масса наносов перемещается монослоем или (при больших расходах) более значительным по высоте слоем, величина которого зависит от крупности наносов, параметров волн и места на подводном береговом склоне.

Помимо этого, происходит перемещение донных аккумулятивных форм-рифелей или гряд. Этот вид перемещения мало изучен, особенно в морских условиях. Он играет заметную роль в балансе перемещения морских наносов, однако в расчетах расхода наносов не учитывается.

1.2. Удельный (за заданный отрезок времени) расход влекомых наносов вдоль берега определяется как произведение средней толщины подвижного слоя на профиле, нормальном к берегу, на среднюю скорость перемещения наносов.

Обычно ставится задача определения в натуре расхода наносов за период одного шторма данного направления при средних параметрах волн за время этого шторма.

1.3. Об интенсивности перемещения наносов на подводном береговом склоне судят по изменению отметок донной поверхности, определяемых: 1) незадолго до начала шторма (но после длительного, не менее 1 — 3 сут, затишья) — отметка \alpha , 2) после окончания шторма — отметка \alpha_{1} , 3) во время наибольшего понижения дна на вертикали в период шторма — отметка \alpha_{2} . Разности положений поверхности определяют намыв (\alpha - \alpha_{1}) или размыв (\alpha_{1} - \alpha) и всю толщину подвижного слоя (\alpha_{2} - \alpha_{1}) .

1.4. Наилучшие методы исследований во время шторма — с эстакад или подвесной дороги, а при спокойной воде и умеренном волнении — обследование дна аквалангистами. Работа с плавсредств с этой целью допускается только при условиях, удовлетворяющих требованиям техники безопасности, т.е. при волнении не более 2 — 3 баллов.

В штормовую погоду приходится прибегать к косвенным методам оценки наносодвижущего и рельефообразующего действия волнений и течений. Для этого применяются описанные в § 2 и § 3 способы измерения толщины подвижного слоя и скорости перемещения наносов, а также точные наблюдения за изменением состава и рельефа пляжа. Результаты корректируются расчетами по методам, описанным в гл. XI.

Некоторые процессы деформации берегов имитируются моделированием в волновых лотках и бассейнах.

1.5. Методы и точность измерения расхода береговых наносов зависят от крупности материала. Изучение перемещения галечного материала дает более надежные результаты, так как галька перемещается в самой верхней части подводного склона и главным образом по приурезовой полосе.

Гораздо сложнее проследить движение песчаных и песчано-алевритовых наносов, зона основного перемещения которых (подводный береговой склон) находится под водой.

Для прослеживания перемещения песка в натуре лучший метод — мечение песка посредством индикаторов различного типа.

Наиболее широкое распространение получили методы мечения песков радиоизотопами (§ 4) и люминофорными (§ 5) красителями.

1.6. Достаточно надежным и практически применимым способом определения объемов перемещения наносов является выполнение серии последовательных промеров вблизи выдвинутого в акваторию гидротехнического сооружения (мол, буна) или мыса. Поэтому важно, чтобы такие промеры проводились с начала постройки сооружения и повторялись, в процессе заполнения его пазух, в одинаковые сезоны ежегодно, а для специальных целей — после каждого сильного шторма.

При этом надо учитывать длину сооружения, так как промерами может быть охвачено не все сечение потока наносов, а лишь его прибрежная часть. Это особенно важно принимать в расчет при определении заполнения систем бун, длина которых ограничена и значительно меньше ширины потока.

Хорошие результаты дают повторные промеры донных локализованных аккумулятивных форм.

§ 2. Определение толщины подвижного слоя наносов

2.1 Толщина подвижного слоя наносов во время одного шторма определяется путем:

а) повторных промеров глубин (см. п. 1.3);

б) наблюдений за смещением «подвижных шайб»;

в) закладки на дне пробок с меченым песком.

2.2. Повторные промеры во время шторма дают хорошие результаты при использовании эстакад и подвесных дорог. С плавсредств практически возможны промеры только до и после сильного шторма. Такие промеры на участках транзита наносов могут оказаться безрезультатными.

2.3. По результатам двух последовательных промеров строятся совмещенные профили (рис. 48) от общего начального репера над общим нулем высот и в одном масштабе. Профиль разбивается на участки вертикалями 0, 1, 2, ..., n — 1, n. Между смежными вертикалями за интервал времени между промерами определяются площади намыва и размыва, а по ним — средние толщины подвижного слоя со знаками «+» (намыв) и «-» (размыв) по соответствующим участкам профиля. Средняя на профиле толщина подвижного слоя за время между промерами получается как средняя из толщин на каждом участке (с учетом неравномерности расстояний между вертикалями и интервалов времени между промерами). Если средние толщины подвижного слоя были +/- d, см, интервалы времени между промерами t, с, итоговая толщина слоя деформации \sum \pm d , см, то интенсивность деформации \frac{\sum \pm d}{\sum t} , см/с.

Рис. 48. Динамика профиля берегового подводного склона:

1 — поверхность дна при первом промере; 2 — поверхность дна при последующем промере; 3 — намыв, 4 — размыв; 5 — № вертикали

2.4. Метод подвижных шайб точно фиксирует наинизшее положение поверхности дна во время шторма, и толщина подвижного слоя условно принимается по устанавливаемому при послештормовых промерах заглублению шайбы (рис. 49) \alpha_{2} - \alpha_{1} .

Рис. 49. Схема положений шайбы:

1 — поверхность моря; 2 — дно после шторма; 3 — дно перед штормом; 4 — наибольшее понижение дна во время шторма; 5 — отметка верха штыря; 6 — шайба перед штормом; 7 — шайба после шторма; 8 — штырь

Шайба представляет собой свинцовый диск диаметром 120 мм, толщиной 3 мм с 10-миллиметровым отверстием посредине. Ее надевают на тонкий (5 — 6 мм) штырь длиной более 1 м, забиваемый аквалангистами в песок на глубину не менее чем 0,6 м, а в гальку — на 1,5 м. Возвышение верха штыря над дном перед штормом \alpha и после шторма \alpha_{1} замеряется аквалангистами, а глубина опускания шайбы \alpha_{2} за все время шторма определяется ими специальной мерной линейкой со щупом (рис. 50). Разность \alpha - \alpha_{1} показывает деформацию дна; намыв, если \alpha - \alpha_{1}>0 , и размыв, если \alpha - \alpha_{1}<0 . По высоте всего слоя отложений отбираются пробы для последующего гранулометрического анализа всей колонки грунта.

Рис. 50. Мерная линейка для измерения глубины погружения подвижной шайбы

На галечном подводном склоне этот метод был впервые применен Ждановым. Стальные прутки (неподвижные рейки) забивались на глубины не менее 1 м (в приурезовой полосе до 2 м) по профилю и не менее чем через 5 м. Вдоль неподвижных реек скользили связанные с ними кольца и подвижные рейки с шайбами внизу и с марками (шариками или кольцами) вверху. Положение шайб фиксировалось нивелировкой марок перед штормом, а в период его развития — теодолитом через достаточно короткие промежутки времени. В итоге определялись глубина и время достижения шайбой крайнего нижнего положения, а также скорости размыва в различные фазы шторма.

2.5. Толщина подвижного слоя \alpha_{2} - \alpha может быть также установлена по слою смыва «пробки» из меченого материала, по размерам зерен и плотности, соответствующей естественному грунту. Однако этот метод связан со сложностью откапывания колонки с пробкой и не дает возможности судить о высоте всего слоя отложений \alpha_{2} - \alpha_{1} . Поэтому он применяется редко и только при относительно устойчивом положении дна.

2.6. Многочисленные попытки применения донных батометров или донных наносоуловителей для непосредственного измерения расхода наносов не дали результатов, т.к. они отражают лишь движение морских наносов, но не их перемещение. Кроме того, наносоуловители искажают естественный поток. Прибор невозможно практически установить строго горизонтально на уровне дна, что также лишает его показания необходимой точности.

2.7. Каждая серия наблюдений над перемещением наносов относится к определенному шторму с одного направления при условных средних параметрах волнения. В итоге алгебраического суммирования результатов каждого шторма определяется мощность вдольберегового потока наносов за длительный период, обычно за год.

Основанием для расчетов являются данные о повторяемости (обеспеченности) штормовых ветров в годы, разные по штормовой активности (эти данные обрабатываются по рекомендациям гл. IV), и данные о скорости и направлении перемещения наносов.

2.8. Схема расположения пунктов наблюдений приведена на рис. 51.

Рис. 51. Схема расположения пунктов наблюдения по береговому подводному склону:

1 — место установки подвижной шайбы; 2 — место установки наносоуловителя

При каждом измерении кроме глубины определяются характеристики ветра (направление, скорость), элементы волн (высота, период, длина), характеристики придонных течений (направление, скорость). Все измерения относятся к определенным интервалам времени.

По результатам промеров определяется толщина приходившего в движение слоя наносов (табл. 20) и вычисляется деформация дна по вертикали (табл. 21).

Таблица 20

Определение толщины приходившего в движение слоя наносов за время между промерами

Таблица 21

Вычисление деформаций дна на вертикали

§ 3. Определение скорости и направления перемещения влекомых наносов

3.1. Скорость и направление перемещения влекомых наносов определяются при помощи меченых песков или меченой гальки. При этом скорость определяется делением длины пути распространения меченых наносов на время. Если t — время появления первых меченых частиц на расстоянии l от точки запуска, то V = \frac{l}{t} даст наибольшую скорость отдельных песчинок. Однако для инженерных расчетов более существенна скорость массового распространения влекомых наносов, поэтому следует принимать время t, соответствующее наибольшей концентрации меченых наносов на расстоянии l.

3.2. Генеральное направление подвижки влекомых наносов принимается по лучу распространения наибольшей концентрации меченых частиц в пробах, отмеченной на плане. Фактически наносы распространяются по широкому сектору из точки запуска, и для решения некоторых инженерных задач играет роль не только луч наибольшей концентрации, но и границы сектора распространения меченых наносов. Рекомендуется принимать границы этого сектора в пределах 20% наибольшей концентрации.

3.3. Меченые пески, называемые также песками-индикаторами, получают путем окраски песчинок органическими люминофорами (люминесцентные меченые пески — ЛМП) или обработкой материала радиоактивными изотопами.

Для предотвращения искажения действительной картины движения наносов рекомендуется при изготовлении индикатора применять естественный материал, отобранный на участке исследования. Искусственный песок-индикатор должен по крупности, форме зерен, шероховатости и удельному весу соответствовать пробам песка, отобранным на участке исследования.

Начинают входить в употребление (за рубежом) меченые люминофорами пески, заготовленные на промышленных предприятиях, с окраской в нужный цвет из материала заданного гранулометрического состава, гидравлической крупности и плотности по фракциям. Преимуществом искусственных меченых песков и их заменителей является дешевизна и удобство их массового производства. Однако следует избегать искусственных заменителей песка, поскольку при дроблении они могут давать осколки, отличные по форме от натурального песка (например, иглообразные или пластинчатые).

3.4. До начала исследований мечеными песками должен быть установлен фон участка изысканий, т.е. концентрация в естественном материале частиц со свечением, аналогичным искусственной окраске, либо с гамма-излучением (при применении индикатора с радиоизотопами).

3.5. В каждом отдельном случае тип индикатора определяется в зависимости от поставленных задач, состава наносов, фона участка изысканий и условий проведения изысканий. Количество песка-индикатора должно быть достаточным, чтобы исключить ошибки измерений, вызванные случайным распределением частиц. Результаты исследования считаются надежными, если количество обнаруженных в пробе частиц индикатора или число импульсов гамма-излучения не менее 10. Меньшее их количество указывает лишь на тенденцию распространения.

3.6. Меченые пески приготавливаются путем покрытия поверхности частиц пленкой связующего вещества, содержащего органические люминофоры, или обработкой радиоизотопами.

Недопустимо образование пленок из водопоглощающих материалов. При их применении пленка может разбухнуть и песчинка получит плавучесть, вследствие чего будет отмечаться направление и скорость потока воды, а не наносов. Также недопустимо применение легко отслаивающихся пленок или пленок, склеивающих песчинки между собой.

3.7. Меченая галька приготавливается путем окрашивания пористого материала в разные цвета жидким цементным раствором, содержащим нужную краску, и затем высушивается. Наличие пор позволяет сохраняться краске в течение длительного времени (месяцами), в то время как любая краска на поверхности обычной гальки (или щебня) полностью стирается за несколько часов нахождения в полосе прибоя.

3.8. Меченый песок загружается на дно (или на пляж) в виде одного пятна, если рельеф береговой зоны расчленен, или в виде полосы, нормальной направлению изобат, если рельеф подводного склона однообразен. При значительных различиях состава донных отложений на разных глубинах, рекомендуется применять порции индикатора соответствующих составов, окрашенные разными люминофорами соответственно глубинам. Аналогично можно окрашивать в разные цвета пробы, запущенные в разное время при разных гидрологических условиях.

3.9. Отбор проб грунта производится на разных расстояниях от места запуска: первый отбор не позже чем через 2 — 4 ч; второй через 6 — 12 ч и далее через 1 — 3 - 6 — 10 — 15 сут.

Обнаружение и подсчет меченой гальки производится визуально на надводной части пляжа.

3.10. Анализ проб песка дает количество светящихся точек на 1 дм2 поверхности или их количество на миллион песчинок. Меченая галька подсчитывается по участкам длиной 100 м вдоль линии уреза. Результаты анализа наносятся на план размещения точек отбора проб. По этим схемам определяются направление и скорость движения наносов. Аналогично наносят на план данные о количестве импульсов от радиоактивного маркера.

3.11. По количеству окрашенного галечного материала, ушедшего с надводной части пляжа при волнении, можно также оценить потери его на крутых откосах или в подводном каньоне, если его вершина располагается вблизи берега. В последнем случае при проведении экспериментов используются индикаторы двух различных цветов.

Для размещения окрашенного материала необходимо выбрать два участка пляжа примерно одинакового строения и экспозиции, которые отличались бы лишь тем, что вниз по ходу потока наносов от одного из них располагается вершина исследуемого подводного каньона (здесь размещается индикатор одного цвета), а в том же направлении от другого участка подводных каньонов не должно быть (индикатор другого цвета).

Для получения количественных результатов рекомендуется применять особую методику обработки опытных данных: если для заданной площади пляжа известно, на какое количество природной гальки приходится одна галька-индикатор, то по убыванию общего количества индикатора можно определить объем гальки, ушедшей с данной площади.

3.12. При выборе участка для проведения эксперимента с индикаторами надо, с одной стороны, исходить из целей и задач исследований, а с другой — стремиться к наибольшей репрезентативности участка для района в целом. Оптимальными условиями постановки опыта будут однородность гидродинамического режима и однообразие уклонов и донного рельефа. Чем ближе реальные условия к этим оптимальным, тем меньшей длины может быть выбранный участок. И наоборот, если характер берега и дна отличаются значительной неоднородностью, а донный рельеф усложнен подводными валами, имеющими разрывы, отмелями или подводными каньонами, эксперимент должен охватить значительно бульшую по протяженности часть береговой зоны.

Участок выбирается на основе предварительного рекогносцировочного обследования намечаемого района.

Материалы рекогносцировочного обследования изучаемого района используются для составления рабочей схемы опыта. В нее входит план размещения створа загрузки или точек инъекции индикатора, размещение створов отбора проб и точек сбора колонок донного грунта, размещение вертикалей, на которых измеряется гидродинамический режим во время опыта, задание по объему загрузки и интервалам времени между отдельными инъекциями, а также график отбора проб.

Расстояние между створом выброса индикатора и первым по ходу потока створом отбора проб зависит от крупности индикатора, интенсивности и направления волнения и течений, а также от задач исследования. Обычно это расстояние назначается не менее 500 — 600 м. Скорость массового перемещения песка определяется по смещению центра тяжести облака рассеивания индикатора, приняв его распределение равномерным.

Можно рекомендовать следующий упрощенный прием для определения центра тяжести облака рассеивания. Планиметром определяется площадь облака, затем проводится перпендикуляр к линии берега, делящий облако примерно пополам. Методом последовательных приближений положение этой линии (перпендикуляра) уточняется до тех пор, пока не получится S1 = S2. Затем проводится линия, параллельная берегу, делящая площадь облака на две другие площади S3 = S4, которые тоже должны быть равны, что также определяется методом последовательных приближений. Точка пересечения этих двух прямых и будет центром тяжести облака.

Аналитически координаты центра тяжести плоской фигуры определяются по следующим формулам:

x_{c} = \frac{\int_{a}^{b} x(y_{1} - y_{2})dx}{S} ,y_{c} = \frac{\int_{c}^{d} y(x_{1} - x_{2})dy}{S} ,

где y₁ = f₁(x) и y2 = f2(x) — уравнения верхней и нижней частей контура;

x₁ = f₁(y) и x2 = f2(y) — уравнения правой и левой частей контура;

S — площадь фигуры.

Разделив расстояние, на которое переместился центр тяжести, на время эксперимента получают скорость массового перемещения песка.

§ 4. Метод радиоизотопов

4.1 На практике применяются в основном три способа изготовления радиоактивных индикаторов:

1. включение в материал того или иного радиоизотопа с последующим дроблением до необходимой крупности и сортировкой;

2. облучение естественных наносов в атомном реакторе;

3. пропитывание или окрашивание материалом, содержащим радиоизотопы в растворе.

4.2. Запущенные в поток меченные тем или иным изотопом частицы обладают излучением определенной энергии, которое улавливается специальной, погружаемой на дно аппаратурой. Ввод индикатора в поток происходит мгновенным выбросом или равномерной подачей в течение длительного времени с заданным расходом и концентрацией. В некоторых случаях для определения количества индикатора берутся пробы наносов, но, как правило, этого не требуется. Обнаружение радиоактивности дна указывает на появление в данном месте меченных радиоизотопами частиц, а измеренная числом импульсов датчика интенсивность излучения характеризует относительное количество переместившихся частиц.

Результат виден сразу, что ускоряет обследование акватории и может дать непрерывную регистрацию интенсивности хода частиц, проходящих через створ измерений. В этом преимущество радиоактивного метода.

4.3. Радиоизотопы, применяемые в качестве индикаторов, обладают \gamma - или \beta - \text{излучением} или смешанным \gamma - и \beta - \text{излучением} .

Важный технический показатель возможности использования изотопа — период его полураспада. С одной стороны, он должен быть достаточным для того, чтобы за время доставки изотопа и производства исследований сохранялась его активность. С другой — очищение водоема должно осуществляться в кратчайший срок, чтобы освободить поле для дальнейших исследований.

4.4. В распоряжении исследователя имеется большой выбор индикаторов. Из литературы известно [85], что для решения данной задачи используется около 20 элементов. Наиболее подходящие из них следующие (в скобках указаны периоды полураспада T1/2): P32 (T1/2 = 14 дней), Sc46 (T1/2 = 84), Cr51 (T1/2 = 28 дней), Zr96 + Nb91 (T1/2 = 65 дней), La140 (T1/2 = 40 ч), Ta182 (T1/2 = 111 дней), Ir192 (Tl/2 = 75 дней), Au198 (T1/2 = 65 ч), Fe59 (T1/2 = 45 дней).

Другие элементы исключены по различным причинам (сложная технология подготовки, слишком длинный или слишком короткий период полураспада и пр.) и применяются лишь в особых случаях.

Для изучения перемещения морских наносов лучше всего применять следующие изотопы:

1. При изучении перемещения взвешенных наносов изотопы с периодом полураспада меньше 8 дней La140 и в особенности Au198.

2. При изучении перемещения песка по дну и в придонной зоне — изотопы с очень коротким периодом полураспада: (Au198) — для проведения предварительных экспериментов, а для окончательного изучения в случае интенсивного и нормального перемещения наносов — изотопы со средним периодом полураспада (Cr51, Ir192, Sc46).

3. При изучении перемещения галечника — Ta182 или изотопы с длительным периодом полураспада, позволяющие ожидать развитие явления, например паводка или сильного шторма, с которым связано перемещение гальки.

4.5. Анализируя опыт применения радиоактивных изотопов при гидравлических и гидрологических исследованиях, можно сформулировать несколько основных требований, которым должно удовлетворять радиоактивное вещество, используемое в качестве индикатора. При выборе изотопа учитывают его растворимость в воде, устойчивость химического соединения, в которое включен изотоп, период полураспада, тип, энергию и спектр излучения в воде, удельную активность, адсорбционные характеристики песка. Поэтому выбор изотопа не бывает обычно однозначным. Длительность нахождения изотопа в воде и его дозировка должны, кроме того, соответствовать требованиям органов санитарного надзора [11].

4.6. Одним из важных элементов измерения радиоактивности является определение фона постоянно присутствующей в донных отложениях моря радиации, которая вызвана космическим излучением либо радиоактивной загрязненностью водоема или лабораторной базы. Величина фона входит как составляющая во все радиометрические расчеты. Чем меньше фон по отношению к измеренной величине, тем выше точность измерения. Фон может меняться как по профилю от берега в море, так и на разных участках дна. Нельзя упускать из виду влияние осаждения взвешенных радиоактивных частиц на дно в период исследований, что повышает радиоактивность у дна. Фон необходимо периодически проверять, так как возможна адсорбция радиоактивного изотопа на измерительной аппаратуре, кабеле и т.п.

4.7. Подготовка исследований с использованием радиоизотопов должна быть особенно тщательной; количество вводимого радиоизотопа (обычно 0,1 — 1 кюри) должно быть минимальным и его вредное влияние на окружающих должно быть в пределах требований техники безопасности по указаниям санитарно-эпидемической станции. Эти требования безопасности могут быть соблюдены, если для каждого опыта подготовлен проект с достаточно обстоятельными расчетами и анализом возможных и ожидаемых зон распространения индикатора в береговой зоне.

§ 5. Метод люминесцентных меченых песков (ЛМП)

5.1. Метод изучения перемещения песчаных наносов с применением различных люминесцирующих красителей обладает рядом преимуществ перед методом радиоактивных изотопов:

1. простота и доступность операций по окраске наносов в полевых условиях;

2. значительно меньшая стоимость изготовления индикаторов;

3. применение люминесцентных красителей не опасно для здоровья, однако просмотр проб в люминоскопе должен быть ограничен 2 ч, после чего следует часовой перерыв, иначе может наступить временное ухудшение зрения;

4. возможность одновременного применения красителей различных цветов, обеспечивающая дифференцированный подход к анализу перемещения наносов на различных глубинах, а также разделение во времени результатов ряда последовательных опытов на одном и том же участке. При просеивании пробы наносов на ситах можно подсчитывать число разноокрашенных зерен по разным фракциям;

5. растворимость связующего вещества может быть по желанию подобрана так, чтобы краска держалась на частицах заданный период времени, от нескольких дней до нескольких лет;

6. метод обладает достаточной чувствительностью при концентрации одной частицы индикатора на 106, что равноценно радиоизотопному методу.

Недостатком метода мечения люминесцентными красками является трудоемкость операций по отбору проб донного грунта после запуска и по подсчету количества зерен индикатора на единицу площади или в пробе. Кроме того, сложность отбора проб исключает возможность непрерывного слежения.

5.2. При определении количества песка, необходимого для опыта, нужно исходить из расчета вероятности нахождения меченых песчинок на площади дна, намечаемой для предстоящих исследований, имея в виду получение представительной пробы (п. 3.5). Требуемое количество ЛМП зависит от длины исследуемого участка, ширины зоны перемещения, ожидаемой силы волнения, скоростей придонных течений, крупности наносов и пр. Задаваясь требуемой концентрацией ЛМП в пробе и зная объем пробы, можно определить примерное количество индикатора, которое необходимо выгружать в течение опыта одновременно или отдельными порциями (последнее также зависит от задач опыта).

Для ориентировочного расчета одной порции выбрасываемого количества ЛМП можно воспользоваться следующим выражением:

Q = \xi ahb,

где a — ожидаемая площадь разноса меченого песка, м2;

h — глубина проникания частиц в донные отложения, м;

b — объемный вес сухого песка, кг/м3;

\xi — коэффициент заданной концентрации, например 40/106.

Вес одной порции меченого песка в килограммах для каждой загрузки не должен превышать Q.

5.3 Для окраски сухого натурального песка требуются следующие компоненты:

1. люминофор органический (люмоген). Перечень люмогенов, выпускаемых промышленностью, приводится в табл. 22, а количество потребного люмогена в зависимости от крупности и цвета песка — в табл. 23;

2. связующее. Для образования пленки средней прочности (длительность сохранения ее на частицах от 2 дней до 5 недель) применяется агар-агар или силикагель, для очень прочного покрытия — столярный клей, лак для пола и клей БФ-2 и БФ-4 (длительность сохранения пленки на частицах от нескольких месяцев до 2 — 3 лет);

3. пресная вода в количестве, необходимом для полного смачивания окрашиваемого материала, но не более. Количество воды в каждом отдельном случае должно быть определено предварительно путем смачивания некоторого объема данного песка.

Таблица 22

Рекомендуемые красители-люмогены

Таблица 23

Расход люмогена в зависимости от фракций песка и цвета красителя

Применять для окраски песка неорганические люминофоры не рекомендуется из-за значительно меньшей яркости их свечения. При выборе цвета люминофора необходимо учитывать наличие природных аналогов, т.е. фона в районе работ (некоторые природные частицы — детрит, минеральные зерна — обладают естественной люминесценцией).

5.4. Процесс мечения песка люминофорами сводится к смешиванию порошкообразного красителя, предварительно растертого в ступке, с массой сухого песка, и затем к закреплению люминофора на поверхности песчинок с помощью связующего.

Смесь приготавливается в барабане, на противне или на ровном цементном полу (площадке). При окрашивании больших порций песка (более 500 кг) целесообразно применять для ускорения и облегчения процесса окраски растворомешалку или малую бетономешалку. Однако работать на них надо с малыми оборотами, так как при больших скоростях песок прижимается к стенкам и плохо перемешивается с красителем. Одновременно с подготовкой смеси песок-люмоген приготавливается раствор связующего. В случае применения агар-агара, он растворяется в горячей пресной воде, количество которой, как указывалось выше, определяется заранее экспериментально. Клей БФ-2 и БФ-4 растворяют в дихлорэтане или ацетоне. В последнем случае важно соблюдать особые меры предосторожности, так как оба растворителя легко воспламеняются, а их пары ядовиты.

После полного растворения связующего полученный раствор выливается в сухую смесь в барабан или растворомешалку и вся масса снова перемешивается. Затем окрашенный материал выкладывается на брезент или полиэтиленовую пленку, разравнивается тонким слоем и сушится в естественных условиях. Применять при сушке песка искусственный подогрев нельзя, так как это приводит к разложению люмогена и снижению качества индикатора. Сушка песка занимает от 3 до 5 дней в зависимости от погоды. Во время сушки песок следует несколько раз перемешивать. Высушенный песок следует промыть для удаления несвязанного свободного люмогена и затем снова высушить. Комочки слипшихся песчинок необходимо размять.

Приготовленный таким образом индикатор расфасовывается в количествах, нужных для разовой загрузки, упаковывается в бумажные мешки и доставляется к месту работ.

5.5. Рецепт и технология окраски алеврита несколько отличаются от описанного метода окраски песчаных наносов.

Алеврит перед окраской требует предварительного отмучивания для освобождения от глинистых частиц. Кроме того, в данном случае особенно тщательно должен быть проверен объем воды, необходимый для смачивания грунта. Из подобранного объема воды приготовляется 2%-ный раствор агар-агара. Для окраски алевритовых грунтов требуется значительно бульшее количество красителя, чем для песка: на 100 кг грунта надо взять 4 — 5 кг светло-желтого или светло-зеленого люмогена, или до 7,5 кг оранжево-красного. Процесс перемешивания и сушки сохраняется прежним.

5.6. Окрашивание люминофорами илистых грунтов невозможно. Однако известен случай, когда из грунта отмучивались фракции тонкого песка и алеврита, окрашивались, затем возвращались в первоначальную по объему пробу и забрасывались в воду. Обнаружение в контрольных пробах частиц, маркированных люминофорами, требовало предварительного выделения из пробы окрашенных фракций также путем отмучивания. После этого определялось количество меченых песчинок. Однако нет уверенности, что скорость перемещения более крупных фракций не отличалась от движения основной массы наносов.

5.7. Для окрашивания ракуши лучше всего применять в качестве связующего масляно-глифталиевый лак для полов. К требуемому количеству лака добавляется 2% люмогена. Количество лака определяется пробным замачиванием ракуши. Для того чтобы после просушки ракуша меньше слипалась, лак желательно растворить в хлороформе в пропорции: на 1 часть лака — 3 части хлороформа. Однако при этом следует иметь в виду, что некоторые марки лака плохо растворяются в хлороформе. Если же в качестве связующего применен нерастворимый лак, то для просушивания ракушу надо рассыпать монослоем и разделить слипшиеся частицы.

5.8. В зависимости от задач исследований в опытах с индикаторами могут быть применены две отличные методики: индикатор может загружаться в точку по створу один раз или систематически равными порциями через равные интервалы времени.

Для получения качественной картины перемещения материала рекомендуется первый метод. Индикатор выбрасывается в заданную схемой точку в стадию развития волнения, а контрольные пробы отбираются в стадию затухания шторма или после его окончания. В зависимости от характера волнений и течения отбор проб может вестись по радиусам от точки выброса или, если преобладает вдольбереговое перемещение наносов, по ходу потока в различных створах вдоль берега. На рис. 52 показаны схемы размещения створов при исследовании обширного района. При портовых изысканиях опытный участок исследуемого района обычно имеет ограниченную длину, поэтому расстояние между створами сокращается до 200 — 1000 м.

Рис. 52. Примеры составления рабочей схемы при применении меченых песков:

а — участок исследований представляет дугу большого радиуса, волнение может подходить как справа, так и слева; створ А — загрузка индикатора при волнении слева, створ Б — загрузка индикатора при волнении справа; б — участок однонаправленного потока наносов; створ А — загрузка индикатора

Если требуется получить количественные данные по перемещению материала (твердый расход влекомых наносов), целесообразно применять второй метод, называемый методом инъекций, предложенный Расселом для галечного пляжа и позже использованный Зенковичем и Орловой для песчаного подводного склона (см. п. 7.3).

5.9. Во всех случаях как при одновременном выбросе, так и при систематических инъекциях, необходимо закреплять точки выброса и отбора проб на глубинах до 1,5 м штырями, а на больших глубинах — плавучими вешками или буями с привязкой их к основной магистрали на берегу. Общим правилом является периодический контрольный отбор проб в месте выброса по возможности одновременно во всех створах <*> и постоянная фиксация гидрометеорологического режима на участке исследований. Сроки отбора проб определяются по указаниям п. 3.9.

<*> При затруднениях в одновременном отборе проб следует фиксировать время отбора и затем вводить поправку на так называемое приведенное время по формуле

\frac{T_{s}}{T_{a}} S_{a} = S_{s},

где Ts — установленный интервал времени после загрузки;

Ta — фактическое время отбора пробы;

Sa — установленная фактическая концентрация индикатора;

Ss — скорректированная концентрация индикатора в пробе.

Опыты желательно ставить в стадиях развития, стабилизации и затухания штормового волнения, что иногда бывает затруднительно. Поэтому чаще всего (при отсутствии тросовой дороги, эстакад или пирсов) производят только выброс индикатора при развитии шторма, а отбор проб ведут в стадию затухания волнения или в тихую погоду по окончании шторма.

5.10. Перед выбросом индикатор увлажняется, чтобы сухой песок не всплывал на поверхность. Загрузку желательно производить непосредственно на дно или в придонном слое воды. Обычно индикатор в бумажных мешках выбрасывается со шлюпки или катера. При работах на отмелых песчаных берегах выброс на небольшие глубины (до 1,5 м) можно осуществлять и без шлюпки. Если имеется водолаз, то после выброса мешки на дне вспарываются ножом. При выбросе со шлюпки или катера мешок привязывается тросом за нижний угол, при ударе его о дно он раскрывается и песок постепенно по мере продвижения шлюпки вымывается. Во всех случаях необходимо следить за тем, чтобы индикатор не лежал кучей, нарушающей гидрологический режим в придонном слое, а распределялся на поверхности дна более или менее равномерно.

5.11. При проведении систематических инъекций необходимо перед каждой очередной загрузкой индикатора брать контрольную пробу в месте выброса для проверки фона (по п. 3.4).

5.12. Отбор проб при однократном выбросе можно производить дночерпателем с катера или вибропоршневой трубкой с судна. Если осадка катера не позволяет подойти к берегу, то в этой приурезовой зоне надо отбирать пробы вброд или вплавь вручную прямо в геологический мешочек или с помощью специальных отборников (ими могут быть пластинки, смазанные техническим вазелином, которые ныряльщик прижимает к поверхности дна в точке отбора).

На глубинах до 1,5 м может применяться колонковый отборник, при глубинах до 5 м — обычные дночерпатели или струг (с катера), а на больших глубинах — вибропоршневая трубка.

Колонковый отборник, разработанный Южным отделением Института океанологии АН СССР в 1959 г., позволяет наблюдателю отбирать в приурезовой зоне небольшие колонки донных отложений ненарушенной структуры длиной до 18 см. Отборник представляет собой отрезок трубы из нержавеющей стали с внутренним клапаном и работает на принципе подсоса. Пробы собираются в надевающиеся на отборник дюралевые стаканы.

Конструкция, принцип работы и операции с вибропоршневой трубкой широко освещены в литературе [66].

Методы повторных инъекций индикатора и полного подсчета концентрации требуют сбора колонок донного грунта ненарушенной структуры. Поэтому в таких случаях на глубине необходимо использовать малые вибропоршневые трубки, а на мелководье — колонковые отборники [69, 13]. Если нет возможности вести обработку полученных колонок непосредственно в полевых условиях, то их нужно запарафинировать и отправить в лабораторию. Иногда целесообразно колонку сразу разрезать на слои, упаковав каждый в отдельный пакет.

5.13. Просушенные пробы просматриваются под любым ультрафиолетовым источником (солнечный люминоскоп, ртутно-кварцевые лампы со специальными фильтрами или макетные, типа ламп дневного света) для обнаружения и подсчета количества частиц индикатора в них (рис. 53).

Рис. 53. Пример модели солнечного люминоскопа:

1 — передняя и задняя стенки из алюминия; 2 — боковые стенки из дерева; 3 — смотровая щель; 4 — прокладка из губки; 5 — паз для вставки стекла; 6 — увиолевое стекло; 7 — открывающаяся стенка; 8 — ручки

Техника визуального подсчета частиц проста, но не избавлена от субъективных ошибок наблюдателя, поэтому необходимым условием является многократность подсчета. Это очень удлиняет и без того длительный и трудоемкий процесс визуального просмотра проб.

В ряде стран уже созданы различные автоматические счетчики люминесцентных меченых частиц, которые тоже не дают пока желаемой точности из-за затруднения в определении крупности считаемых частиц и ошибок за счет затемнения одних зерен другими. В лаборатории береговой зоны ИГАН СССР разработан интегральный оптический счетчик, базирующийся на известных из литературы схемах, но с учетом их недостатков; блок-схема и вид счетчика приведены на рис. 54.

Рис. 54. Автоматический счетчик меченых частиц:

а — общий вид; б — блок-схема; 1, 8 — засыпка пробы; 2 — индикатор фильтра; 3 — инструкция о порядке работы; 4 — выключатели сети высокого напряжения и УФО; 5 — счетчик импульсов (0 — 1000); 6 — контроль тока УФО, напряжения, ФЭУ и калибровка; 7 — регуляторы калибровки и УФО; 9 — фильтр; 10 — сменный фильтр; 11 — интегратор; 12 — самописец; 13 — усилитель; 14 — преобразователь импульсов; 15 — тригер; 16 — счетчик; 17 — блок питания

5.14. Результаты подсчета окрашенных песчинок в каждой пробе наносятся на специальную карту-схему. На этой схеме изображаются береговая линия, рельеф дна в изобатах (по результатам промерных работ, выполненных в том же сезоне, что и запуск меченых песков) и отмечаются места взятия проб.

Станции, на которых были отобраны пробы донных отложений, обозначаются кружками. В каждый кружок ставится цифра, обозначающая концентрацию окрашенных песчинок, а под кружком записывается время в часах, прошедшее с момента выброса меченого песка до момента взятия пробы.

Такие схемы составляются для каждой серии отбора проб. Если желательно совместить на одном листе несколько серий запуск-отбор проб, то каждая серия отличается особым знаком обозначения места пробы (кружок, квадрат, треугольник и др.). На таких схемах очень отчетливо видны границы распространения меченого песка, пути наиболее интенсивного его перемещения и т.д. Зная путь и время появления окрашенных песчинок в той или иной пробе, можно вычислить скорость перемещения наносов на участке.

Для бульшей наглядности распределения меченого песка по профилю на различных глубинах рекомендуется составление графиков, на которые наносятся данные всех серий отбора проб, проведенных на одном профиле (рис. 55). На таких графиках четко видна интенсивность движения песчаных наносов. Сопоставляя графики, сделанные по всем галсам и в разное время, можно судить об интенсивности и скорости движения наносов в период опыта вдоль всего участка. Для бульшей наглядности под графиком рекомендуется вычерчивать в том же горизонтальном масштабе, что и на графике, профиль подводного берегового склона.

Рис. 55. График размещения меченых песчинок на подводном береговом склоне по контрольному галсу:

1 — серия через 3 ч после запуска; 2 — серия через 9 ч; 3 — профиль подводного берегового склона; — количество меченых песчинок в 100-граммовой навеске пробы, шт.; l — расстояние, м

§ 6. Метод меченой гальки

6.1. Изучение массового перемещения пляжевой гальки требует применения специальной методики.

Некоторые результаты исследования перемещения галечного материала по пляжу с помощью индикатора приведены в работах Жданова [23, 24].

Для окраски пористого материала, применяемого при изготовлении меченой гальки, используется цементный раствор, в который добавляется краситель. Цементный раствор приготавливается в виде сметанообразной массы с расчетом, чтобы он легко проникал в поры и там застывал. Рекомендуется применять желтую, ярко-зеленую или красную краски, которые используются при отделочных работах на строительстве. Соотношение краски и цемента по весу должно быть примерно равным 1:30.

Для придания цементному раствору желтого цвета краску нужно добавлять в бульшем количестве (примерно 1:4). К сожалению, при значительном содержании краски в цементном растворе прочность окраски пористого материала ухудшается.

Окраску пористого материала рекомендуется производить вручную в деревянных или металлических емкостях. В эти емкости сначала заливается приготовленный окрашенный цементный раствор, а затем засыпается порция пористого материала. Затем вся масса перемешивается лопатой или вилами, чтобы цементный раствор проник в поры. Окрашенный пористый материал вынимается из емкости (удобнее всего это сделать вилами или сачком из крупной металлической сетки, чтобы избежать больших расходов красителя) и размещается для просушки на бетонной или иной ровной площадке.

6.2. До выгрузки индикатора на пляж определяется гранулометрический состав окрашенного материала и вычисляется общее количество частиц на единицу веса (1 т). Порция индикатора, предназначенная к выгрузке на пляже, должна содержать не менее 50 — 100 тыс. окрашенных частиц, поскольку после первого сильного волнения на поверхности надводной части пляжа может сохраниться менее 10% общего количества выгруженного индикатора.

6.3. Для размещения индикатора на пляже предварительно на месте засыпки бульдозером снимается слой гальки толщиной до 50 см на площади прямоугольника примерно равной 4 x 25 м2. Длинная сторона прямоугольника располагается перпендикулярно урезу и определяется шириной зоны заплеска при типичных штормовых волнениях данного района. В эту канаву выгружается равномерно окрашенный материал. Поверхность отсыпки сглаживается бульдозером по конфигурации пляжа. По весу загруженного материала подсчитывается примерное первоначальное количество окрашенных частиц в месте засыпки.

6.4. Определение расхода галечных наносов требует измерения мощности подвижного слоя согласно § 2.

При отсутствии наблюдений толщину приходившего в движение слоя на берегах с галечно-песчаным пляжем от линии уреза до глубин 6 — 7 м допускается при предварительных ориентировочных расчетах принимать равной 0,3h, где h — высота волны глубокого моря. Толщина активного слоя в надводной части получается интерполяцией между значением 0,3h на урезе и нулевым значением на верхней границе заплеска.

В первом (весьма грубом) приближении можно принять, что нижняя граница волнового воздействия на галечно-песчаное дно находится на глубине H = 3h. Толщину активного слоя на подводном склоне в диапазоне глубин от 6 — 7 м до 3h можно определить путем интерполяции между значением 0,3h на глубине H = 6 — 7 м и нулевым значением на нижней границе волнового воздействия на дно.

На берегах, где галечный пляж подстилается слаборазмываемыми породами или устойчивыми против размыва валунными накоплениями, рекомендуется считать, что на подводном склоне на глубине, равной высоте волны h, толщина активного слоя принимает нулевое значение. Промежуточное значение толщины активного слоя между урезом и глубиной H = h находят интерполяцией. В каждом случае при проведении экспериментов положение нижней подводной границы галечной полосы для рассматриваемого участка береговой зоны должно быть установлено путем обследования подводного склона (аквалангистами или ныряльщиками).

6.5. Наблюдения за перемещением индикатора проводятся после каждого сильного волнения, при этом подсчитывается количество окрашенных галек на надводной части пляжа по участкам 100 м длины вдоль линии уреза.

Если ширина зоны заплеска последующего волнения меньше, чем предыдущего и, следовательно, не все окрашенные гальки участвуют во вдольбереговом перемещении, подсчет ведется отдельно для переместившихся во время шторма и оставшихся на месте галек.

После каждого шторма фиксируется площадь, занятая оставшимся на месте засыпки индикатором, и оценивается количество окрашенных галек, вновь вовлеченных при волнении во вдольбереговое перемещение (если последующее волнение было сильнее предыдущего).

6.6. О трассах и скоростях вдольберегового перемещения любых наносов можно судить по смещению центра тяжести облака рассеивания индикатора. Положение центра тяжести облака рассеивания индикатора определяется по координатам системы материальных точек Mi(xi, yi) с массой mi (i = 1, 2, ..., n) по следующим формулам:

x = \frac{\sum m_{i}x_{i}}{\sum m_{i}} , y = \frac{\sum m_{i}y_{i}}{\sum m_{i}} .

Если индикатор — галька, можно ограничиться только координатой, направленной вдоль берега. В расчетах принимается, что все гальки-индикаторы на одном участке надводной зоны пляжа 100 м длины представляют одну условную материальную точку, расположенную в центре этого участка. Кроме того, допускается, что массы всех индикаторов равны между собой. Следовательно, масса материальной точки, соответствующая сумме индикаторов каждого 100-метрового участка пляжа, определяется количеством на нем меченых частиц.

При определении смещения центра тяжести возможны два случая:

1. Последующее волнение — более сильное или такое же, как предыдущее.

В этом случае все окрашенные частицы облака рассеивания, образовавшегося во время предыдущего волнения, перемещаются при действии более сильного или равного по силе волнения. Смещение центра тяжести облака рассеивания определяется по формуле

Sn = xn — xn-₁,

где xn и xn-1 — абсциссы центра тяжести облака рассеивания после двух последовательных волнений.

2. Последующее волнение — более слабое по сравнению с предыдущим.

В этом случае не все окрашенные частицы облака рассеивания, образовавшегося во время предыдущего волнения, будут перемещаться последующим более слабым волнением. Таким образом в береговой зоне окажутся окрашенные частицы, оставшиеся в покое при действии более слабого волнения. Это обстоятельство необходимо учитывать при определении перемещения центра тяжести облака рассеивания индикатора.

Для этого подсчет окрашенных частиц следует проводить раздельно перед штормом и после него. Смещение центра тяжести облака рассеивания в этом случае определяется по той же формуле. Разница заключается в том, что при подсчете величины xn-1 не учитываются щебенки, оставшиеся на месте при последующем более слабом волнении.

Пример. Допустим, что последующее волнение слабее предыдущего. Следовательно, в этом случае не все окрашенные частицы облака рассеивания, образовавшегося во время предыдущего волнения, перемещались по пляжу при более слабом волнении. Данные, полученные при подсчете окрашенных частиц на поверхности надводной зоны пляжа, приведены в табл. 24.

Таблица 24

Количество окрашенных частиц, обнаруженных на поверхности надводной зоны пляжа

По данным, приведенным в табл. 24, можно определить смещение центра тяжести облака рассеивания индикатора S. Для этого определяются значения xn и xn-1:

Таким образом,

S = xn — xn-1 = 360 — 175 = 185 м.

Если при последующем волнении (более сильном, чем предыдущее) происходит дополнительное поступление окрашенных частиц из места засыпки, то это необходимо учитывать при определении смещения центра тяжести облака рассеивания индикатора. Общее количество вновь поступивших окрашенных частиц M1 оценивается по результатам замера площади места засыпки, занятого ими перед и после данного волнения. При этом необходимо иметь в виду, что на поверхности надводной части пляжа остается примерно 10% общего количества окрашенных частиц, поступивших на пляж из места их засыпки. Очевидно, что вновь поступившие частицы располагаются ближе к месту засыпки по сравнению с вовлеченными во вдольбереговое перемещение предшествующими волнениями. Следовательно, окрашенные гальки, расположенные вблизи места их засыпки, можно считать вновь поступившими во время данного волнения и не учитывать при определении координаты центра тяжести облака рассеивания индикатора при последующем волнении.

§ 7. Определение расхода влекомых наносов

7.1. При современных методах измерения мощности подвижного слоя (§ 2) и скорости массового перемещения наносов (§ 3) расход влекомых наносов определяется со значительной погрешностью. Однако даже весьма несовершенные натурные измерения дают гораздо меньшие ошибки, чем расчеты по часто применяемым эмпирико-теоретическим методам (гл. XI).

Непосредственно в натуре могут быть замерены расходы наносов за один шторм известной силы с одного примерно направления.

7.2. Объем перемещающихся наносов вычисляется путем умножения скорости массового перемещения наносов на площадь «живого» сечения потока

Q = V_{mn}B\delta,

где Vmn — скорость массового перемещения наносов;

B — ширина зоны рассеивания индикатора (по нормали к потоку);

\delta — толщина активного слоя.

7.3. Одним из методов определения расхода донного материала является упомянутый выше (п. 5.8) метод инъекций.

Сущность примененного впервые Расселом для галечных грунтов метода инъекций заключается в следующем. В течение достаточно длительного срока через равные промежутки времени в определенное сечение потока вводятся постоянные количества индикатора. Затем определяется рассеивание индикатора по подводному склону под действием волн и течений. Опыт считается законченным, когда последовательные серии наблюдений показывают установившееся постоянство числа меченых частиц в каждой точке, т.е. постоянную их концентрацию в пробе. Расход перемещающихся вдоль берега наносов (Q) предлагается определять по формуле

Q = \frac{q}{C_{\text{к}}} ,

где q — расход вводимого индикатора, а Cк — концентрация индикатора в пробе в момент достижения ее постоянства на исследуемом створе.

Предложенная Расселом методика в дальнейшем при переходе на песчаные берега была несколько видоизменена. Так, было признано нецелесообразным добиваться постоянства концентрации индикатора из-за нестабильного характера волнения, а применять метод полного подсчета. Таким образом, изменение концентрации индикатора в потоке наносов вниз по его ходу от точки инъекции дается в функции времени, и расход материала определяется из выражения

Q = \frac{q}{\frac{1}{t} \int_{0}^{t} C_{\text{к}}dt} ,

где t — длительность проведения эксперимента.

Если отбор проб ведется в нескольких точках створа и не только с поверхности, а на некоторую глубину в толще наносов, то концентрация индикатора суммируется не только по времени, но еще и по живому сечению потока, т.е. в формуле для определения расхода наносов берется тройной интеграл

Q = \frac{q}{\frac{1}{t} \int_{00}^{xz} \int_{00}^{zt} \int_{0}^{t} C_{\text{к}}dxdzdt} ,

где x — расстояние по створам между границами рассеивания индикатора;

z — глубина от поверхности дна до последнего слоя, в котором найдены индикаторы.

Обязательными условиями применения метода полного подсчета являются:

1. получение колонок образцов ненарушенной структуры для возможности послойного их анализа;

2. осуществление контроля за частичным уходом индикатора за пределы изучаемого участка в процессе обмена материалом между пляжем и подводным склоном. Необходимо оценить процент этих потерь, чтобы ввести в расчетную формулу поправочный коэффициент.

7.4. В случае применения метода систематических инъекций песка необходимо проверить, насколько принятое допущение о постоянстве концентрации соответствует действительности. Также необходимо убедиться в том, что индикатор, вводившийся в береговую зону с постоянным расходом q, не терялся при обмене материалом между подводной зоной пляжа и подводным береговым склоном и при уходе на большие глубины, либо следует установить долю потерь. При условии Cк = const происходит полное смешивание индикатора с донными наносами.

Кривая распределения концентрации во времени при этом должна приближаться к виду, показанному на рис. 56.

Рис. 56. Характер распределения концентрации во времени в зависимости от типа загрузки индикатора:

а — мгновенный запуск индикатора; б — непрерывный запуск индикатора; 1 — пиковая кривая прохождения индикатора при мгновенном запуске; 2 — плато концентрации

Если реальное распределение концентрации, полученное на основании обработки проб, далеко от характера кривой на рис. 56, то пользоваться формулой Q = \frac{q}{\frac{1}{t} \int_{0}^{t} C_{\text{к}}dt} не рекомендуется. Для этого случая можно применить метод полного подсчета с определением расхода перемещающихся наносов по формуле с тройным интегралом.

7.5. Для расчетов миграций (в каждом из двух направлений вдоль берега) и мощности (разности миграций) потока наносов за долгий период, обычно за год, необходимы данные о распределении ветров по направлениям и по группам скоростей за конкретный год или за многолетний период. Эти данные должны быть соответственно обработаны и в результате должны быть построены режимные функции скорости ветра, как на рис. 22, для каждого из активных направлений.

Далее описанными приемами определяются расходы через створ взвешенных, придонных и влекомых наносов для некоторых штормов с конкретными направлениями и скоростями ветра и результаты наносятся на график (рис. 57) в виде режимной функции ветра и режимно-климатической функции расхода наносов (отдельно взвешенных, придонных и влекомых). Пусть, например, при направлении ветра СВ средним скоростям его V = 6 — 10 — 18 м/с соответствуют твердые расходы R = 24 — 60 — 200 кг/с. По этим точкам на рис. 57 построена режимно-климатическая функция перемещения наносов.

Рис. 57. График обеспеченности скоростей ветра и расхода наносов (направление северо-восток):

1 — режимная функция ветра; 2 — режимно-климатическая функция расхода наносов

По п. 4.11 гл. IV каждый интервал группы скоростей ветра, например интервал от 6 до 11 м/с имеет повторяемость P6-10 = F11 — F6% в пределах ветров данного, например СВ направления. Вообще же суммарная повторяемость ветров этого направления обозначалась \Sigma p в § 4 гл. IV. Все количество секунд за год составляет: 365,25·24·3600 = 31,5 млн. с. За рассматриваемый интервал проходит 31,5 \frac{P}{100} \cdot \frac{\Sigma p}{100} = 31,5 \cdot 10^{- 4}P_{x}\Sigma p\text{млн}/\text{с} . За этот период пройдет через створ наносов 31,5 \cdot 10^{- 4}P\Sigma pR\text{млн}.\text{кг} или 31,5 \cdot 10^{- 7}P\Sigma pR\text{млн}.\text{т} или 31,5 \cdot 10^{- 4}P\Sigma pR\text{тыс}.\text{т} .

Пусть в рассматриваемом в § 4 гл. IV примере P = 38%, p = 5%. Следовательно, интервал длится 31,5 \cdot 10^{- 4}P\Sigma p = 31,5 \cdot 10^{- 4} \cdot 38,5 = 5985 \cdot 10^{- 4}\text{млн}.\text{с} = 598500c . По рис. 57 в рассматриваемом интервале между V = 6 и 11 м/с средний твердый расход R = 46 кг/с. Через створ пройдет 31,5 \cdot 10^{- 4}P\Sigma pR = 31,5 \cdot 10^{- 4} \cdot 38,5 \cdot 46 = 27500\text{т} за год. Расчет ведется раздельно для взвешенных и влекомых наносов.

Глава X. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ БЕРЕГОВ И ДНА У ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

§ 1. Цели, задачи и постановка исследований

1.1. Явления деформации рельефа дна и берегов исследуются не только перед проектированием, но и в процессе возведения и эксплуатации гидротехнических сооружений.

Постановка исследований в период строительства связана с необходимостью проверки и корректировки содержащегося в проекте прогноза изменений конфигурации дна и берегов. При эксплуатации сооружений явления деформации, если они принимают значительные размеры, исследуются в целях разработки технических мероприятий по их ликвидации или, по крайней мере, их ослабления и локализации, а также для совершенствования технологии поддержания сооружений (каналов) в эксплуатационном состоянии.

1.2. Наиболее типичные примеры изменений рельефа дна и берегов под влиянием морских гидротехнических сооружений могут быть следующие.

1. Подходный канал, пересекающий подводный береговой склон, перехватывает часть вдольберегового потока или двусторонних миграций наносов. В условиях интенсивного движения наносов заносимость канала может оказаться значительно выше расчетной и, кроме того, обеднение наносами акватории, расположенной за каналом, по ходу основного потока наносов может привести к размыву дна и берега.

2. Возможны случаи, когда при проектировании канала на участке двусторонних миграций наносов, место для отвала грунта, вынутого из прорези, выбрано неудачно и массы грунта будут возвращаться в канал. Свалка грунта становится, таким образом, одной из причин заносимости канала.

3. Возведение мола, как правило, вызывает существенные переформирования дна и берегов. По мере заполнения пазухи мола с наветренной стороны заносимость входного канала и внутренней акватории растет и может достигнуть размеров, угрожающих их нормальной эксплуатации. Кроме того, постройка мола становится иногда причиной сильного размыва берега с подветренной стороны.

4. Ограждения для рейдов иногда строятся в виде надводного волнолома на значительном расстоянии от берега. В этом случае за волноломом образуется «волновая тень», а от берега, если он отмелый и сложен песком, вырастает выступ — «наволок» из наносов, стянутых под защиту волнолома с прилегающих участков берега и подводного склона [38]. Акватория при этом мелеет и становится непригодной для использования. В условиях песчаного дна и берега портовая акватория может полностью выйти из строя.

Если пляж крутой и сложен гравийно-галечным грунтом, наволоки не достигают больших размеров, а наносы откладываются у входа на защищаемую волноломом акваторию и также затрудняют вход в порт.

5. Берегозащита в виде стенок (вертикальных, откосных или вогнутого профиля), вызывая отражение непогашенного прибойного потока или прямой удар волны, приводит к уменьшению ширины пляжа или к его смыву (если пляж узкий) и к размыву основания стенки.

В таких случаях перемещение наносов совершается только по подводному склону. При действии слабых волн, не достигающих основания стенки, пляж постепенно регенерируется до нового сильного шторма. Чем больше протяжение стены, тем интенсивнее сказывается ее отрицательное воздействие на пляж и тем скорее она сама разрушается.

Если берегозащитная стена построена в зоне наката штормовых волн, происходит взброс волн, сопровождающийся мгновенным возрастанием давления воды у основания стены, что влечет образование вымоин и подмыв стен, а также механическое разрушение их подножья.

6. Возведение для защиты берегов системы бун или подводных волноломов, сопровождающееся аккумуляцией наносов в верхней по движению наносов части комплекса сооружений, нередко приводит к значительному размыву подветренного берега. Кроме того, неправильно расположенные буны могут не оправдать своего назначения.

1.3. В перечисленных и аналогичных им случаях материал для количественной оценки деформации дна и берегов может быть получен только в результате постановки длительных натурных наблюдений за работой построенных сооружений. Ввиду специфичности назначения такие наблюдения принято называть специальными.

1.4 Основные задачи специальных наблюдений состоят в получении и накоплении конкретных сведений:

• об эффективности работы наносозащитных, наносоудерживающих, регуляционных и берегоукрепительных сооружений;
• о характере, режиме и размерах изменений рельефа дна и берегов, происходящих на участке расположения морских гидротехнических сооружений;
• о режиме, размерах и источниках заносимости искусственных выемок (включая и опытные прорези) на дне акватории;
• об интенсивности размыва опасных в отношении возврата грунта в канал и влияния на окружающую среду свалок вынутого грунта;
• о влиянии на устойчивость берега и на рельеф подводного склона изъятия наносов, используемых как строительный материал.

1.5 К разряду специальных относятся наблюдения:

• за деформацией дна и береговой полосы в зоне влияния оградительных (молы, дамбы) и берегоукрепительных (буны, берегоукрепительные стенки, подводные волноломы) сооружений;
• за состоянием защищаемых акваторий (гаваней, ковшей, котлованов);
• за состоянием опытных прорезей подходных каналов и свалок грунта (включая период производства дноуглубительных работ).

1.6. Основу специальных наблюдений составляют последовательно выполняемые промеры глубин на подводном береговом склоне и нивелировки пляжа, а также грунтовые съемки, в связи с чем такие наблюдения в технологическом, а также и методическом отношении сходны с гидрографическими работами.

1.7. Промеры и нивелировки должны выполняться по строго закрепленным в натуре на все время наблюдений основным поперечным (по отношению к берегу и сооружениям), а в отдельных случаях — продольным профилям. Для повышения подробности освещения рельефа дна рекомендуется производство промеров по дополнительным продольным и поперечным профилям, привязываемым к общему магистральному ходу. В частности, продольные галсы нужны, если берег приглуб и рельеф дна сильно расчленен, иначе могут быть пропущены подводные желоба, каньоны и характерные изменения забровочных пространств вдоль прорезей.

1.8. Точность и подробность промеров (или нивелировок) по поперечным профилям должны быть достаточными для составления планов в масштабе 1:1000 и 1:2000. Промеры по продольным профилям, а также на свалках грунта выполняются для планов в масштабе 1:5000. Для определения расстояний между профилями, а также интервалов между точками следует пользоваться табл. 25.

Таблица 25

Степень подробности промеров

При большой протяженности участка внешних берегоукрепительных сооружений допускается уменьшение масштаба промеров до 1:5000.

Продольный промер канала выполняется по его оси на всю длину с интервалами между точками не менее 50 м.

1.9. Для обеспечения возможности сравнения отметок, измеренных в разное время, и определения по ним количественных характеристик деформации подводного или надводного рельефа необходимо при выполнении морфометрических работ (определение планового положения точек, производство промера и т.п.) пользоваться неизменной в течение всего периода наблюдений методикой и не менять системы высот и координат.

1.10. На каждый объект наблюдений составляется исходная техническая документация — схема расположения основных профилей, таблицы углов для определения пикетов на створе, планшеты с рабочими сетками.

Порядок организации и производства специальных наблюдений аналогичен принятому в гидрографических работах (гл. V).

§ 2. Типовые схемы расположения промерных профилей

2.1. При составлении схем расположения профилей рекомендуется пользоваться типовыми схемами, применяемыми при производстве промерных работ на объектах ММФ [88]. Ниже приводится их описание применительно к объектам наблюдений.

2.2. Участки наблюдений определяют исходя из морфологических особенностей района и границ предполагаемых под влиянием сооружений изменений рельефа.

2.3. За постоянное начало при разбивке профилей принимают условные точки, расположенные на вершинах углов сооружений (молов, волноломов, бун). Нулевые и поворотные точки должны быть привязаны к береговой магистрали.

2.4. Основные профили желательно разбивать под прямым углом к линии кордона сооружений или к линии берега. Расстояние между профилями и интервалы между точками назначают согласно п. 1.8 (табл. 25).

2.5. У сооружений большой протяженности прямолинейных или с незначительным изломом разбивку профилей производят от условной точки через равные расстояния по всей длине сооружений (рис. 58). На участке излома могут назначаться дополнительные профили, выходящие из вершины угла.

Рис. 58. Схема разбивки профилей у сооружений, имеющих продольное направление:

а — прямолинейное; б — ломаное

2.6. В корневой части сооружения в точке его сопряжения с берегом и в местах резкого излома линий сооружения разбивку профилей ведут в обе стороны от точки сопряжения или излома, принимаемой в этом случае за нулевой пикет. В вершинах углов могут назначаться дополнительные профили для повышения подробности промера.

При наличии пересекающихся профилей можно в целях экономии времени сокращать длину профилей у одной из смежных линий сооружения. Береговые профили сокращать не рекомендуется.

2.7. В головной части сооружения расположение промерных профилей имеет вид веера с лучами, расходящимися под углом 22°30' (рис. 59).

Рис. 59. Схема разбивки промерных профилей в головной части сооружений

2.8. При постановке наблюдений над изменениями рельефа, происходящими в береговой зоне под влиянием отстоящих от берега сооружений, промерные профили располагают по нормали к береговой линии или к оси сооружения. При этом подводные и надводные профили должны совмещаться.

2.9. При общем промере защищенной акватории (гавани, ковша, котлована и т.п.) на берегу прокладывается магистраль, соответствующая конфигурации объекта наблюдений, и от магистрали разбивают поперечные профили через всю акваторию (рис. 60).

Рис. 60. Схема разбивки промерных профилей на защищенной акватории

2.10. Для оценки состояния глубин у сооружений (причалов, молов и т.д.) выполняются промеры по поперечникам длиной 25 — 30 м. Схемы и порядок разбивки этих профилей приведены в пунктах 2.3 - 2.6.

2.11. Промерные профили на каналах (включая и опытные прорези) разбивают перпендикулярно оси канала. За нулевой принимается поперечный профиль, проходящий через нуль оси канала. Все последующие поперечные профили от нулевого разбивают через равные расстояния. Счет профилей от нулевого до концевого ведется последовательно по всей длине канала независимо от количества колен.

Длина профилей устанавливается с таким расчетом, чтобы промерные точки выходили за верхние бровки не менее 25 — 30 м.

Промерные точки на профиле разбиваются от оси канала в правую и левую стороны через установленные интервалы согласно п. 1.8. Стороны канала считают по ходу с моря (этот порядок может меняться для речной части морского канала).

2.12. При наличии на каналах поворотов, для полного освещения промером этих участков, в точке пересечения осей колен каналов назначают два дополнительных профиля перпендикулярно смежным осям (рис. 61).

Рис. 61. Схема разбивки профилей на каналах с коленами

Если точка перелома оси канала попадает между основными профилями (например, 15 900 и 16 000) и отстоит от ближайшего на расстоянии менее 25 м (а или б менее 25 м), то разбивку ближайшего к точке основного профиля можно не делать. Если же точка перелома отстоит от ближайшего профиля далее 25 м, то дополнительные профили должны иметь номера основных плюс расстояние a.

2.13. На каналах, имеющих разветвление, промерные профили и их нумерация назначаются для каждой ветви отдельно, начиная от нулевых профилей (рис. 62). У примыкающего канала профили разбивают до стыка осей каналов (точка K). На участке соединения каналов профили должны проходить по всей ширине разработанной прорези с заходом за верхнюю бровку на 25 — 30 м.

Рис. 62. Схема разбивки профилей на канале с разветвлением:

1 — нуль канала; 2 — ось створа; 3 — левая бровка; 4 — правая бровка

2.14. На каналах, состоящих из двух частей (морской и речной или внешней и внутренней), каждая часть должна иметь самостоятельную разбивку профилей (включая и расстояния между ними) с началом от установленного нуля канала (рис. 63). Во внутренней части канала в отличие от внешней, профили обозначают со знаком минус «-».

Рис. 63. Схемы разбивки профилей на каналах, состоящих из двух частей:

а — морская и речная; б — внешняя и внутренняя; 1 — нуль канала; 2 — ось канала; 3 — левая бровка; 4 — правая бровка; 5 — передний створный знак

§ 3. Анализ материалов наблюдений и исследований

3.1. Полевые материалы промеров и нивелировок подлежат обработке в соответствии с ранее изложенными положениями (главы V и IX).

По данным промеров или нивелировок пляжа, оформленным соответственно в виде планов глубин или профилей деформации, определяют размеры происходящих изменений рельефа (толщину слоя наносов или размыва и величину деформации пляжа).

3.2. Для подсчета толщины слоя отложения или размыва наносов используются средние на каждом промерном профиле значения глубин, полученные на основании промерных планов. Слой определяется в пределах нижних бровок искусственных прорезей.

Величину элементарного слоя (т.е. слоя, накопившегося за сравнительно короткий период) подсчитывают по результатам двух последовательно выполненных промеров. Величины элементарных слоев суммируются, получаются значения слоя заносимости за какой-либо определенный период (в практике обычно подсчитывают слой наносов за год).

3.3. Постановка соответствующих исследований предполагает выполнение ряда наблюдений, необходимых и достаточных для решения другой основной задачи — отыскания генетической связи между происходящими деформациями рельефа дна (или берега) и действием природных факторов — ветра, волнения, течений. При постановке исследований следует также предусматривать возможность получения нужной информации об упомянутых факторах через Гидрометеослужбу.

3.4. Методика исследований сводится в целом к следующему. По данным описанных выше специальных наблюдений на исследуемой акватории (или территории) выбираются участки, характерные по масштабам деформации.

Далее посредством анализа имеющихся материалов изысканий или наблюдений Гидрометеослужбы выявляются наиболее активные наносодвижущие факторы и определяются, хотя бы в общих чертах, области действия каждого из них или их взаимодействия. Критерием активности какого-либо фактора может служить степень его влияния на изменение подводного или надводного рельефа, оцениваемая приближенно по морфологическим признакам. При отсутствии в достаточном объеме сведений о наблюденных гидрологических элементах рекомендуется пользоваться расчетными величинами.

По результатам анализа наносодвижущих факторов, дополненным и откорректированным в соответствии с существующими представлениями о механизме исследуемых процессов, разрабатывается рабочая гипотеза — неотъемлемый элемент исследований. Эта часть исследований трудна и ответственна, ибо гипотеза в свою очередь становится основой плана и программы работ. В связи с этим положения гипотезы должны быть по возможности четкими и определенными. Однако в процессе исследований возможно появление данных, вносящих существенные изменения в первоначальную гипотезу.

3.5. Например, при исследовании причин заносимости предустьевых каналов рабочей гипотезой может быть предположение, что в заносимости каналов этого типа наиболее важная и вполне определенная (т.е. поддающаяся количественной оценке) роль принадлежит стоку реки во время половодья не только текущего, но и предыдущего годов. Гипотеза основана на следующих представлениях о механизме этого процесса. Вынесенный рекой в половодье на взморье аллювий отлагается на приустьевом баре в виде слабо уплотненного и легко подвижного слоя. Предполагается, что толщина слоя зависит от силы половодья, показателем которой служит максимальный расход воды в реке. Вследствие миграции отложившихся на баре наносов под воздействием волнения и течений часть материала поступает в канал, где образуется первичный после дноуглубления слой наносов. Этот процесс достигает наибольшей активности, как правило, в период осенних штормов. С ледоставом поступление наносов в канал прекращается.

В половодье следующего года наступает новая фаза этого процесса, когда интенсивный твердый сток дает приращение прошлогоднему слою отложений в канале.

Таким образом, согласно гипотезе, размеры и режим заносимости предустьевого канала обусловлены действием речного стока в период половодья предшествующего и текущего годов в сочетании с волнением и морскими течениями. Однако данное построение не дает четкого представления о том, на каких участках и в какой мере может проявляться наибольшая активность каждого из упомянутых факторов. Для этого удобно использовать прием логического моделирования, с помощью которого весь сложный процесс заносимости на конкретном участке удается аппроксимировать в несложную схему: источник поступления наносов — транспорт — отложение. Получаются две модели заносимости. Простая модель предполагает прямоточную схему поступления наносов из реки в канал, что допустимо для районов, где морские факторы неактивны. В этом случае следует искать связь заносимости с максимальными значениями речных расходов текущего года. Сложная модель отличается от простой предположением, что если канал не защищен от волнения, в процессе заносимости обязательно участвует этот фактор и связанные с ним течения. Поступление наносов в этом случае будет двухфазным: река -> взморье -> канал и река -> канал.

Гипотеза не исключает существования других видов связи, но предполагается, что они должны носить частный характер, присущий отдельным, относительно небольшим участкам канала.

§ 4. Состав комплексных исследований

4.1. На базе предварительных представлений об исследуемом явлении и рабочей гипотезы разрабатывается программа комплексных исследований и определяется состав, объем и продолжительность наблюдений над деформациями дна (или берега), над волнением и течениями, за перемещением наносов.

4.2. Наблюдения над волнением и течениями при недостаточности данных в материалах Гидрометеослужбы и предыдущих изысканий выполняются на характерных участках исследуемой акватории, где для этого организуются гидрологические посты. Конструкция постов должна быть рассчитана на максимально возможные волновые нагрузки. Из числа применяемых для наблюдения уровня моря в практике наибольшей надежностью обладают конструкции свайных постов. Для измерения волн и течений при небольших расстояниях от берега целесообразно устанавливать стационары буйкового типа на якорях или облегченные конструкции, укомплектованные самописцами. Как показывает опыт, в качестве такого стационара могут быть также использованы волнографная мачта конструкции КаспморНИИпроекта с большой несущей способностью (плавучестью) и устойчивостью при волнении и сборный прибрежный гидропост ЛВИМУ, удобный как по способу его установки на дно, так и по своим эксплуатационным качествам.

Рейдовые наблюдения в тихую погоду за течением не годятся для решения поставленных задач, так как основные изменения дна и берега происходят при штормах, когда картина течений полностью искажается и их скорости резко возрастают. Это предопределяет преимущества приборов с автономной записью.

4.3. Методические и технические указания по производству наблюдений над волнением и течением подробно излагаются в Руководстве [81], а за динамикой берегов и перемещением наносов — в настоящем Руководстве.

4.4. На объектах, где интенсивно ведутся дноуглубительные работы, заносимость прорези может быть вызвана и причинами технологического характера. При работе земснарядов способом «с переливом» значительный объем пульпы с высокой концентрацией возвращается в толщу воды. В соответствующих гидродинамических условиях взвешенный материал, имеющий вид так называемого шлейфа мутности, может либо оседать в районе забора грунта или смещаться на другие участки прорези, либо выноситься за бровки, а затем вновь поступать в прорезь, создавая трудно учитываемое приращение слоя отложений. В таких случаях возникает надобность в постановке наблюдений за направлением и дальностью распространения шлейфа мутности.

Наблюдения состоят из серии отбора проб воды на мутность, выполняемого детальным способом (по типу съемки). Важно охватить съемкой всю область шлейфа мутности. В составе съемки должен быть выполнен разрез вдоль оси шлейфа, чтобы получить данные для определения направления и дальности распространения шлейфа и его воздействия на прорезь. В серию отбора проб по возможности следует включить измерения мутности при упоминавшихся выше характерных гидродинамических явлениях.

4.5. Недостатком описанного метода является несовершенство средств отбора проб (отсутствие автоматики), в результате чего натурные наблюдения ограничены погодными условиями. Расширить возможности исследований можно применением аэрофотосъемки, которая позволяет в условиях активной динамики моря определить плановое положение провинций питания, направление и ареалы распространения наносов во взвешенном состоянии, т.е. контур шлейфа.

Глава XI. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НАНОСОВ И ЗАНОСИМОСТИ МОРСКИХ КАНАЛОВ

§ 1. Назначение и виды расчетов

1.1. Цель данного раздела — дать рекомендации по применению теоретических и эмпирико-теоретических расчетов как составной части общей методики исследований перемещения морских прибрежных наносов и заносимости морских каналов.

К расчетам следует прибегать, если нет возможности получить режимные характеристики перемещения наносов путем натурных исследований из-за недостатка времени или вследствие несовершенства методов исследований.

Рекомендуется, однако, иметь в виду, что научные положения о литодинамических процессах еще недостаточно разработаны, а сами эти процессы очень сложны. Поэтому методы и формулы расчета дают не точные и бесспорные, а только приближенные решения, которые целесообразно уточнять и подтверждать, сравнивая с результатами исследований в натуре, а также результатами моделирования.

1.2 Применение методов расчета позволяет получить:

• направление, относительную интенсивность и примерное распределение по подводному береговому склону перемещающихся вдоль берега наносов;
• мощность вдольберегового потока наносов;
• величину заносимости акватории и канала за заданный промежуток времени;
• объемы размыва берегов и деформаций берегового подводного склона.

1.3 Для расчета интенсивности перемещения наносов вдоль берега рекомендуются следующие методы:

1. гидрометеорологический метод, основанный на использовании данных о ветре и волнении.

Существуют следующие разновидности этого метода:

1а) ветроэнергетический метод, который устанавливает непосредственную связь между энергией ветра и интенсивностью перемещения наносов;

1б) волноэнергетический метод, при котором интенсивность перемещения наносов становится в зависимости от энергии измеренных в натуре волн;

1в) ветро-волноэнергетический метод, отличающийся от волнового тем, что параметры волн устанавливаются не путем наблюдений, а расчетом по имеющимся данным о режиме ветра;

2. гидравлический метод, при котором расход наносов по вертикали определяется по их концентрации в потоке воды и по распределению скоростей потока;

3. эмпирические методы дают связи расхода и отложения наносов с направлением и параметрами волнения, с морфометрическими характеристиками береговой зоны и с составом наносов.

1.4. Перемещение наносов поперек изобат играет значительно меньшую роль в процессах заносимости и размыва дна и изучено еще не достаточно, поэтому в данном Руководстве не рассматривается (методы исследования перемещения наносов нормально к берегу изложены в работе Лонгинова [54]).

1.5. Гидрометеорологические и гидравлические методы, изложенные в данном Руководстве, применимы в условиях бесприливного моря и берегов, сложенных рыхлыми грунтами. Если условия в натуре другие, необходимо вводить соответствующие коррективы.

§ 2. Гидрометеорологические методы расчета интенсивности перемещения наносов вдоль морского берега

2.1. Гидрометеорологические методы рассматривают процесс перемещения наносов в зависимости от энергии ветра и волнения. Волнения рассматриваются как результат передачи энергии ветра водной среде.

2.2. Гидрометеорологические методы не дают точного ответа на вопрос о мощности потока или подвижек наносов, так как неизвестны количественные связи между энергией ветра, течений и волн с объемами перемещаемых ими наносов. Однако эти методы позволяют производить сравнение интенсивности перемещения наносов на разных участках берега или получать соотношение расходов наносов при их подвижках на данном участке в разные периоды при различном волнении.

2.3. Объектами применения ветроэнергетического метода обычно являются отмелые песчаные и песчано-гравийные берега, а волноэнергетических — сравнительно крутые гравийно-галечные.

Причиной такого разделения являются в основном различия в характере перемещения наносов.

На отмелых песчаных берегах потеря энергии морскими волнами начинается далеко от уреза: за морской границей береговой зоны вначале происходит трансформация волн, а затем на критической глубине они разрушаются, иногда неоднократно забуруниваясь. При этом из-за неравномерности распределения энергии в прибрежной зоне (вдоль берега) образуются различной высоты нагоны, вызывающие вдольбереговые компенсационные течения, которые взаимодействуют со вдольбереговой составляющей волновых течений, а также с отточными и разрывными течениями.

Измеренные параметры волн в береговой и особенно в прибойной зонах отмелого берега не характеризуют волнения, приходящего с моря. Здесь можно наблюдать только волны, уже деформированные при движении их к месту измерения, режим течения в этой зоне также трудно изучить, поэтому в расчетах следует исходить из действительного распределения ветров над морем или из параметров ветра, измеренного на ближайшей метеостанции.

На более крутых гравийных и особенно галечниковых берегах трансформация волн начинается недалеко от берега, и их забурунивание обычно происходит вблизи самого пляжа. Поэтому есть возможность непосредственно измерять параметры недеформированных волн. Течения же в таких условиях, хотя и развиваются, но в перемещении галечника играют второстепенную роль.

2.4. Существенным недостатком ветроэнергетического, как и ветро-волноэнергетического методов, является невозможность применения их в условиях часто доходящей до берегов зыби.

В таких случаях целесообразно применять волноэнергетический метод при наличии, разумеется, достаточно длительных систематических наблюдений за волнением.

§ 3. Ветроэнергетические методы

3.1. Ветроэнергетический метод впервые был предложен И. Мунх-Петерсоном и В.Г. Глушковым. Впоследствии метод дополнялся и совершенствовался многими авторами.

Сущность его состоит в суммировании энергии ветра, передаваемой водной среде и распределенной по географическим румбам через 45° или по полурумбам через 22,5°. Составляющая потока энергия по каждому румбу или полурумбу выражается формулой вида

e = pWnDm,

где p — повторяемость ветра в пределах данного румба или полурумба, в долях единицы или %;

W — осредненная скорость ветра, м/с;

D — длина разгона ветра над водной поверхностью, км;

n, m — показатели степени, различные в разных условиях и у разных авторов.

Геометрическое суммирование этих составляющих, вычисленных для определенного заданного периода или за осредненный год, дает суммарную энергию ветра, передаваемую водной поверхности за соответствующий период

Размерность суммарной энергии и ее составляющих дается почти всеми авторами в условных единицах.

3.2. Для решения инженерных задач определяются: вдольбереговая составляющая потока энергии волн, пропорциональная суммарной энергии ветра, называемая наносодвижущей силой T, нормальная к берегу составляющая — сила прибоя B и угол \gamma — отклонение равнодействующего вектора E от нормали к береговой линии, или угол \alpha между вектором E и линией берега (рис. 64). Многие вопросы требуют раздельного учета наносодвижущих сил, направленных вправо Tп или влево Tл от нормали к берегу (смотря с берега). Сумма абсолютных значений Tп и Tл называется размахом миграций наносов А.

Рис. 64. Разложение вектора суммарного потока энергии ветровых волн на наносодвижущую T и прибойную B силы:

\alpha — угол направления ветра с береговой линией; \gamma — угол направления ветра с нормалью к берегу

Силы T и B определяются как суммы румбовых наносодвижущих t или прибойных b сил. Наносодвижущим силам, направленным вправо, если смотреть с берега, присваивается знак «+», влево «-». Таким образом,

B = \Sigma b. T_{\text{л}} = \Sigma t_{\text{л}}; T_{\text{п}} = \Sigma t_{\text{п}};

3.3. Румбовые составляющие наносодвижущей силы по ветроэнергетическому методу определяются посредством умножения соответствующей энергии e по румбу на угловую функцию f(\alpha) , учитывающую влияние угла \alpha между направлением ветра и береговой линией. Также и румбовые составляющие прибойной силы получаются путем умножения румбовой энергии на sin\alpha = cos\gamma .

Следовательно,

b = esin\alpha = pW^{n}D^{m}sin\alpha; t = ef(\alpha) = pW^{n}D^{m}f(\alpha); T = \Sigma t = \Sigma pW^{n}D^{m}f(\alpha);

B = \Sigma b = \Sigma pW^{n}D^{m}sin\alpha.

Вектор суммарной энергии на данном участке находится из прямоугольного треугольника с катетами T и B

E = \sqrt{T^{2} + B^{2}} .

Все изложенное записывается в таких равенствах

\gamma = arctg \frac{T}{B} , B = Ecos\gamma; T = Esin\gamma;

T = Tп + Tл (алгебраическая сумма) A = |Tп| + |Tл|.

3.4. По наиболее распространенному ветроэнергетическому методу Кнапса [40] румбовая или полурумбовая составляющая энергии ветровых волн подсчитывается по формуле

e = pW \sqrt[33]{D} k,

где k — коэффициент полноты румбового сектора, т.е. отношение ко всему сектору активной его доли (за вычетом части, приходящейся на береговой ветер или относящейся к наносодвижущей силе с другим знаком).

Для перехода к румбовой наносодвижущей силе Кнапсом предложена угловая функция f(\alpha) , основой которой является 2sin\alpha cos\alpha (рис. 65). Ее максимальное значение 1 получается при \alpha = 45^{\circ} , а нулевое — при \alpha = 0 и 90°. Но так как вдольбереговые ветры оказывают некоторое влияние на перемещение наносов, Кнапс дополнил кривую 2sin\alpha \cdot cos\alpha касательной к ней, начиная от \alpha = 120^{\circ} . Ордината \xi на рис. 65 дает значение угловой функции f(\alpha) . Также проведена касательная к кривой cos\gamma или sin\alpha и на ординату \eta умножается румбовая составляющая энергии, чтобы получить румбовую силу прибоя b.

Рис. 65. Диаграмма коэффициентов связи энергии ветровых волн с наносодвижущей силой (\xi) и прибойной силой (\eta) по Кнапсу:

1 — касательная, \alpha — угол направления ветра с береговой линией, \gamma — угол направления ветра с нормалью к берегу

b = e\eta = pW \sqrt[33]{D} k\eta. t = e\xi = pW \sqrt[33]{D} k\xi;

Чтобы не оперировать длинными цифрами, Кнапс ввел в формулы коэффициент 1/1000 и назвал размерность килоединицами.

Далее по п. 3.3 определяются T и B, вектор E и угол \gamma . Суммируя отдельно положительные и отрицательные t, находят Tп и Tл.

В формулы вычисления T и B Кнапс ввел еще коэффициент \beta продолжительности рассматриваемого периода в долях года, характеризующий интенсивность процессов периода чистой воды или, вообще, в период короче года, в который береговые процессы проявляются активно. Если в анализе и расчетах используются ветровые данные только за этот «активный» период, то его продолжительность приравнивается к единице (сумма повторяемостей 100%).

3.5. Кнапс предлагает [40] не ограничиваться анализом энергии ветра в одной точке берега, а исследовать в совокупности более значительный район побережья, названный им регионом взаимовлияния с однородным режимом, например вогнутость крупных размеров. Регион делится на участки, каждый из которых ориентирован так, что может быть изображен на плане прямой линией без большой погрешности. На участке не должно быть выступающих мысов или дополнительных источников питания наносами (например, рек). Отношение длины участка к длине всего региона, т.е. относительная длина участка обозначается символом \lambda_{i} . Для каждого участка определяются силы прибоя B_{i}\prime ; наносодвижущие T_{\text{п}_{i}} и T_{\text{л}_{i}} , энергетические векторы Ei и углы их отклонения от нормали и линии берега \gamma_{i} , а также \alpha_{i} . Далее вычисляются произведения B_{i}\lambda_{i} , T_{\text{п}i}\lambda_{i} , T_{\text{л}i}\lambda_{i} и по принципу определения средневзвешенных величин простым суммированием находятся общесуммарные для всего региона Tп, Tл, A, T и B, а по последним двум величинам определяется общесуммарный энергетический вектор E и угол его отклонения от нормали к линии берега \gamma_{0} . Направление общего энергетического вектора на отдельных участках региона определяется путем откладывания угла \gamma_{0} от местных нормалей к линии берега.

Общие для всего региона величины характеристик движения наносов определяются по следующим зависимостям:

\text{Т}_{\text{л}} = \Sigma T_{\text{л}_{i}}\lambda_{i}; \text{Т}_{\text{п}} = \Sigma T_{\text{п}_{i}}\lambda_{i},

T = Tп + Tл, A = |Tп| + |Tл|;

E = \sqrt{B^{2} + T^{2}} ; \text{В } = \Sigma B_{i}\prime\lambda_{i},

\gamma_{0} = arctg \frac{T}{B} .

3.6. И.А. Правоторов [75], применяя метод Кнапса при исследованиях на Каспийском море, пришел к выводу, что этот метод подтверждается конфигурацией береговой зоны. Вместе с тем он предложил для графика Кнапса несколько градуировок шкалы абсцисс (рис. 66), где размечены углы \alpha от 0 до 120°, чтобы учесть зависимость от уклона дна величины угла \varphi , при котором достигает максимума угловая функция и, следовательно, выражение наносодвижущей силы. По графику Правоторова \varphi = 40^{\circ} при уклоне i = 0,01, 45° (как у Кнапса) — при i = 0,023 и доходит до 55° при i = 0,10 и i = 0,003.

Рис. 66. Номограмма зависимости от уклона дна коэффициентов связи наносодвижущей (\xi) и прибойной (\eta) сил с энергией ветровых волн по Правоторову:

1. 2sin\alpha cos\alpha + касательная; 2) cos\gamma + касательная

3.7 В системе СоюзморНИИпроекта часто применяют формулу Шишова [95] для выражения румбовой энергии ветра

e_{p} = \frac{\Sigma p_{i}W_{i} \sqrt[23]{D}}{1000} K_{bt}.

Здесь Wi — скорость ветра данного румба в интервалах через 1 м/с до его максимального значения, коэффициент K выражает полноту румбового сектора, а n — коэффициент понижения энергии волнения при малых глубинах, определяемый по табл. 26, где H — средняя глубина моря по лучу разгона ветра.

Таблица 26

Значения коэффициента понижения энергии (n) в зависимости от глубины (H)

Поскольку длина разгона D влияет на параметры волн только до определенного расстояния Dпр, Шишов предложил формулу D_{\text{пр}} = 0,8W^{2} , а на мелководье — D_{\text{пр}} = 0,8W^{2}n_{1} , в которой n_{1} = 0,18 \sqrt{H} . Разгоны, превышающие эту величину, приравниваются к Dпр.

В своей последующей работе [97] автор считает возможным принимать в формуле показатель степени при скорости ветра не 2, а 3 — как у Кнапса.

Суммарная энергия ветра определится как геометрическая сумма румбовых или полурумбовых энергий

Для подсчета наносодвижущей силы Шишов принимает ту же угловую функцию f(\alpha) , что и Кнапс (рис. 65).

3.8. Недостатком ветроэнергетического метода является возведение в степень среднеарифметической румбовой скорости ветра (\overline{W})^{n} , физическая же суть явления требует осреднения скоростей уже возведенных в степень n, т.е. (\overline{W})^{n} . Датчанин Неменый, исследуя формулу Мунх-Петерсена для берегов Дании, установил, что отношение (\overline{W^{2}}) к (\overline{W})^{2} не выходит за пределы 1,14 — 1,16. Но, во-первых, в достаточно распространенных методах n > 2, т.е. и ошибка больше, а во-вторых, могут быть случаи, когда даже при n = 2 ошибка может выйти за пределы 2,0.

Во избежание значительной погрешности рекомендуется вести расчеты по градациям скоростей в небольших интервалах, например 6 — 9, 10 — 13, 14 — 19 и т.д. м/с.

Другая общая неточность метода — отсутствие учета фактической длительности ветра. Расчеты ведутся по срочным наблюдениям над ветром с интервалами 6 ч и больше. Однако зафиксированный в срок наблюдений ветер может иметь длительность всего 1 — 2 ч, и он не успеет развить соответствующее ему волнение. Наоборот, сильный ветер мог действовать 5 ч, но в интервале между установленными сроками наблюдений, и его работа не учитывается рассматриваемыми методами. Кроме того, действие ветра подряд в течение № часов — иное, чем двух ветров с такой же скоростью, действовавших по N/2 ч. По методу же расчета их работа одинакова. (К сожалению, расчет по срочным наблюдениям следует рассматривать как вынужденное допущение потому, что автоматическая беспрерывная запись скоростей ветра введена недавно и проводится далеко не везде).

Третья неточность метода — неучет действий зыби. Это может привести к ошибочным выводам при значительном проценте волн зыби, а также в бухтах, куда могут проникать ветровые волны открытого моря в искаженном дифракцией направлении.

Дефектами рассматриваемых методов является также неучет фазы развивающегося волнения, когда не существует зависимости от разгона, и неучет широко распространенной теперь концепции спектральности ветрового и волнового полей. Впрочем, первый из этих недостатков не имеет значения при отсутствии больших длин разгона волн.

Массовый материал наблюдений несколько сглаживает эти неточности.

§ 4. Волноэнергетический метод

4.1. Волноэнергетический метод определения наносодвижущих сил впервые разработан в СССР А.М. Ждановым [23] для кавказского берега Черного моря. Исходными данными в этом методе являются непосредственные наблюдения параметров волн, производимые с берега или волномером — перспектометром или — в последнее время — волнографами.

Метод пригоден только для приглубых берегов с пляжем из гравия, гальки и валунов.

Волноэнергетический метод применяется еще редко, потому что в СССР мало гидрометеорологических станций, где систематически и длительное время производились бы волновые наблюдения.

4.2. По методу Жданова определяется равнодействующая волнения и среднегодовая мощность волнения Э на данном участке по величине и направлению.

Исходные данные выписываются в виде таблицы, где строки соответствуют баллам степени волнения от 1 до 9 (подобно табл. 27), а колонки — активным полурумбам, последняя колонка и строка — соответствующие суммы. В каждой клетке таблицы записывается число случаев волнения данной балльности и направления и проценты этого числа по отношению к числу случаев за весь период наблюдений (обычно за средний период чистой воды в течение года). В каждом интервале исходной таблицы принимают в расчет наибольшую для рассматриваемого балла высоту волн hm, средние длину \lambda_{cp} и период \tau_{cp} волны. Тогда мощность (энергия за секунду) на погонный метр фронта волны равняется

e = \frac{h_{m}^{2}\lambda_{cp}}{8\tau_{cp}} .

Таблица 27

Расчет значений энергетических эквивалентов для заданного направления волны (полурумбы)

Если по исходной таблице число случаев такого волнения ni, а среднее время действия волны — t (обычно интервал между наблюдениями в 6 ч), то энергия волн данного балла и направления составит на 1 пог. м берега

E = \frac{h_{m}^{2}\lambda_{cp}}{8\tau_{cp}} h_{i}t.

Далее принимая мощность 2-балльной волны за единицу, вычисляют для всех баллов данного направления энергетические эквиваленты

k_{i} = \frac{e_{i}}{e_{2}}

и приведенные числа случаев для каждого полурумба

Ki = kini.

По числам Ki строится энергетическая роза волнения, причем Ki откладывается по лучам розы последовательно, начиная с первого балла. (Энергетическую розу не следует путать с обычной розой волнения, на лучах которой откладываются только суммы чисел n).

Результаты расчета энергетических эквивалентов автор метода рекомендует сводить в табл. 27, приняв для всех направлений одинаковую крутизну волн каждого балла.

Следующий этап вычислений — составление таблицы значений приведенных чисел случаев (Ki = kini) по полурумбам. По этой таблице аналитически (или по энергетической розе волнения графически) можно определить направление и относительную величину энергетической равнодействующей волнения Э, которая выразит среднегодовую мощность волнения на данном участке берега по формуле

\text{Э } = \frac{\Sigma K_{i}cos\alpha_{i}}{N} ,

где \alpha_{i} — угол между направлениями луча розы и линии берега, а N — число всех случаев наблюдения.

Сравнивая значение Э с энергетическими эквивалентами по табл. 27, можно выразить Э в баллах степени волнения.

Если азимут равнодействующей Aр, а азимут берега Aб и разность между ними \alpha_{0} = A_{\text{р}} - A_{\text{б}} (рис. 67), то наносодвижущая сила

\text{Т } = \text{Э }cos\alpha_{0} = \text{Э }cos(A_{\text{р}} - A_{\text{б}}).

Рис. 67. Зависимость направлений наносодвижущей (T) и прибойной (B) сил от энергии волнения в функции от азимутов направления волнения (Aр) и направления линии берега (Aб) A_{p} - A_{\text{б}} = \alpha_{0} = \alpha

4.3. Метод Жданова содержит некоторые условности. Так, в нем для каждого интервала (балла) принимается максимальная (а не средняя) высота волны, а крутизна волн одинакова для всех направлений. Кроме того, Б.А. Попов среди других недостатков метода [73] отмечает, что средней мощности лучше должна соответствовать не мощность некоторой волны с параметрами hm, \lambda_{cp} , \tau_{cp} , а средняя из мощностей отдельных волн, входящих в группу. Разница, по его мнению, может достигать 100% и более, и что понятие «приведенного числа случаев» не характеризует энергию волнения, так как не учитывается число физических волн.

4.4. Попов предлагает свой волновой метод расчета. Для каждой группы волнения в пределах данного балла и полурумба рассчитывается средняя энергия Eср как среднее арифметическое из Ei энергии n волн

E_{cp} = \frac{\Sigma E_{t}}{n} , E_{i} = \rho g \frac{h^{2}\lambda}{8} ,

средний период также определяется как

\tau_{cp} = \frac{\Sigma\tau_{i}}{n} .

За промежуток времени t число волн будет

n_{\text{в}} = \frac{t}{t_{cp}} .

Здесь t — общая продолжительность всех волн данной группы балльности и полурумба (следует различать число волн nв и число случаев наблюдения n). Суммарная энергия волнения каждой из рассматриваемых групп волн и полурумбов равна

E_{i} = \frac{\Sigma^{n}E_{i}}{\Sigma^{n}\tau_{i}} t.

Далее все энергии, отличные по балльности, в пределах каждого полурумба складываются, тогда энергия волнения по данному полурумбу выразится

E_{c}^{p} = \Sigma^{m}E_{c},

где m — количество учтенных баллов.

Сложение энергии по отдельным лучам производится геометрически (графически по энергетической розе волнений или аналитически с учетом румбовых направлений). Таким путем определяется вектор суммарной энергии волнения на данном участке , угол \gamma его отклонения от нормали к береговой линии, и проекции вектора суммарной энергии на береговую линию, что дает наносодвижущую силу T = \Sigma_{c}^{p}sin\gamma и на нормаль к берегу, чтобы получить силу прибоя B = \Sigma_{c}^{p}cos\gamma . Чтобы отделить положительную Tп от отрицательной Tл, следует просуммировать отдельно векторы румбовых энергий волнения, направленные вправо и влево от нормали к берегу.

Теоретически метод Попова кажется наиболее достоверным, но требует очень кропотливой работы для обсчета всех наблюденных волн.

4.5. По методам Жданова и Попова наносодвижущая сила получается путем проектирования энергетической равнодействующей на направление береговой линии. К.М. Орлова [71] предлагает принять угловую функцию в формуле: T = \text{Э }cos\alpha_{0} = \text{Э }cos(A_{\text{р}} - A_{\text{б}}) в виде sin\alpha_{0}cos\alpha_{0} , что приближает ее к методу Кнапса.

§ 5. Ветро-волноэнергетический метод

5.1. В этом методе энергия определяется по параметрам волн, рассчитанным по ветру. К числу ветро-волноэнергетических относится метод В.В. Лонгинова, в котором в расчетах параметров волн при изрезанности береговой линии бухтами и мысами следует дополнительно учитывать дифракцию волн.

5.2. По методу Лонгинова [56] определяются параметры волнения в точке на 20-метровой изобате, т.е. близко к морскому краю мелководья, за который Лонгинов принимает глубину, равную \lambda_{0}/3 , где \lambda_{0} — длина расчетной штормовой волны. Параметры волн в этой точке близки к параметрам волн открытого моря. Расчет ведется в пределах румбов от 120 до -120° от нормали к берегу в данной точке, т.е. учитываются некоторые береговые ветры.

В основе метода Лонгинова лежит секундный поток энергии волн открытого моря через погонный метр линии, нормальной к лучу волны, равный

(\text{при }\lambda_{0} = \frac{g}{2\pi} \tau^{2}). F_{\alpha} = \frac{\rho g}{16} h_{\text{о}}^{2} \frac{\lambda_{0}}{\tau} = \frac{\rho g^{2}h_{\text{о}}^{2}\tau^{2}}{32\pi}

Здесь индекс \alpha показывает направление волн, а о относится к открытому морю.

Расчеты ведутся отдельно для каждого полурумба направлений ветра.

Параметры волн для этой формулы определяются по теории А.А. Иванова и С.С. Стрекалова в зависимости от скорости ветра W, м/с, длины разгона D км и длительности действия t ч по формулам:

для установившегося волнения

F_{\text{у}} = \frac{2,95}{10^{5}} DW^{3},

для неустановившегося волнения

F_{\text{ну}} = \frac{4 \cdot 19}{10^{5}} W^{118}t^{43}.

Граница между режимами волнения определяется по формулам

Dпр = 3,71W2; tпр = 2,24W.

Интервалы скоростей ветра принимаются равными 4 м/с. Итоги расчетов по каждой группе ветров суммируются с учетом процентов p повторяемости ветров каждой группы.

Для облегчения расчетов по формулам автором предложены графики (рис. 68). Поскольку приходится пользоваться наблюдениями над ветром, производившимися через 6 ч, график неустановившегося волнения построен в функции от 1-2-3 сроков наблюдений.

Рис. 68. Вспомогательные кривые для применения метода Лонгинова:

а — номограмма для определения величины потока энергии; б — номограмма для определения коэффициентов Kа и Kв; в — номограмма для определения углов \alpha_{\text{а}} и \alpha_{\text{в}} ; г — кривые для определения крутизны m0 волн открытого моря; 1 — для установившегося волнения; 2 — для неустановившегося волнения; д — номограмма для определения угловой функции f(\alpha_{0})

В методе Лонгинова учитывается распределение энергии волнения между составляющими по угловому спектру. При этом исключается энергия составляющих, направленных с берега, отдельно рассматриваются энергии «активных» составляющих, дающих наносодвижущую силу соответственно направлению ветра, и «вредных» составляющих, от которых наносодвижущая сила действует во встречном направлении. Даются графики для нахождения по углу \alpha_{W} между направлениями ветра и нормалью к берегу, углов \alpha_{\text{а}} и \alpha_{\text{в}} (между направлениями равнодействующих активного Fа и вредного Fв секторов потока энергии и нормалью к берегу), коэффициентов Kа и Kв для перехода от потока энергии к наносодвижущим силам по формулам