Динамика галечного пляжа в зоне влияния берегозащитных сооружений Петров Виктор Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава I. СОСТАВ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 24

Глава II. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ДИНАМИКИ ЕСТЕСТВЕННЫХ ГАЛЕЧНЫХ ПЛЯЖЕЙ 40

1. Основные морфометрические параметры прибойной зоны 40

2. Распределение придонных волновых скоростей по профилю галечного пляжа 60

3. Условия сдвига пляжевого материала 72

Глава III. ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ПЛЯЖЕВОГО МАТЕРИАЛА И ПОТОКИ ГАЛЕЧНЫХ НАНОСОВ 84

1. Формирование активного слоя пляжа 85

2. Расходы и поперечная структура вдольбе-регового потока галечных наносов 96

Глава ІV. ВЛИЯНИЕ В0ЛН00ТБ0ЙНЫХ СТЕН НА ДИНАМИКУ ГАЛЕЧНОГО ПЛЯЖА 119

Глава V. ДИНАМИКА ГАЛЕЧНОГО ПЛЯЖА НАХОДЯЩЕГОСЯ ПОД ЗАЩИТОЙ ПЛЯЖЕУДЕРЖИВАЩИХ СООРУЖЕНИЙ 134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 163

ЛИТЕРАТУРА 170

• СОСТАВ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
• Основные морфометрические параметры прибойной зоны
• Расходы и поперечная структура вдольбе-регового потока галечных наносов
• ВЛИЯНИЕ В0ЛН00ТБ0ЙНЫХ СТЕН НА ДИНАМИКУ ГАЛЕЧНОГО ПЛЯЖА
• ДИНАМИКА ГАЛЕЧНОГО ПЛЯЖА НАХОДЯЩЕГОСЯ ПОД ЗАЩИТОЙ ПЛЯЖЕУДЕРЖИВАЩИХ СООРУЖЕНИЙ

Введение к работе

Геоморфологические исследования морских берегов имеют большое практическое значение, в частности при обосновании инженерных мероприятий связанных с решением задач защиты берегов от разрушения волнами, занимающих в настоящее время важнейшее место в системе народнохозяйственных проблем обусловленных освоением береговой зоны морей. В условиях интенсивного освоения береговой зоны Черноморского побережья проблемой большой практической значимости является восстановление и создание новых пляжей, являющихся основным местом отдыха трудящихся. Восстановление утраченных и создание новых искусственных галечных пляжей в большинстве своем проводится под защитой пляжеудерживающих сооружений в качестве которых преимущественно применяются буны. Одновременно на этих участках побережья выполняются и берегозащитные мероприятия, в виде строительства волноотбойных стен различных конструкций.

Однако, эффективность проводимых мероприятий по восстановлению или созданию галечных пляжей и их экономическое обоснование во многом определяются знанием природных процессов протекающих на пляжах и учетом влияния на них возведенных берегозащитных сооружений. Следует отметить, что, несмотря на длительное применение таких традиционных в практике морской берегозащиты сооружений как буны и волноотбойные стены, остается нерешенным вопрос оценки степени их влияния на динамику прилегающего галечного пляжа. Наряду с решением чисто практических задач, связанных с повышением эффективности проводимых берегозащитных мероприятий, результаты изысканий по оценке влияния сооружений на береговые процессы представляют определенный интерес для понимания динамики естественных галечных пляжей.

Исходя из большой практической значимости исследований по динамике естественных и находящихся в зоне влияния берегозащитных сооружений пляжей, целью настоящей диссертации является изучение гидро- и литодинамических процессов, протекающих на природных галечных пляжах и оценка влияния на них наиболее распространенных типов берегозащитных сооружений - волноотбойных стен и бун.

При этом решались следующие задачи: на основании природных и лабораторных экспериментов получить зависимости по расчету основных морфометрических характеристик прибойной зоны с учетом параметров волн и наносов (длины и высоты наката, глубины в месте обрушения); дать количественную оценку распределения придонных волновых скоростей вдоль профиля галечного пляжа, включая области обрушения и наката волн, которая необходима как для выяснения условий устойчивости частиц на профиле, так и для расчета волновых нагрузок, испытываемых сооружениями; рассмотреть закономерности дифференциации галечного материала по штормовому профилю пляжа; по результатам природных экспериментов дать зависимость по определению вдольбереговых расходов галечных наносов с учетом параметров волн и крупности материала, слагающего пляж; на основании природных и лабораторных экспериментов исследовать поперечную структуру вдольберегового потока галечных наносов; оценить влияние волноотбойных стен на интенсивность вдольберегового перемещения галечного материала и формируемый штормовой профиль пляжа; исследовать динамику искусственного галечного пляжа, на- ходящегося под защитой системы бун.

Данные задачи решалисьдля условий внутренних бесприливных морей на основе анализа материалов лабораторных и природных экспериментов, проведенных на галечных пляжах Черноморского побережья Кавказа на базе Черноморского отделения морских берегозащитных сооружений им. А.М.Дцанова Всесоюзного научно-исследовательского института транспортного строительства в рамках выполнения научно-технической программы 0.55.12.204 "Разработать и внедрить прогрессивные методы защиты морских берегов от разрушения на основе создания новых берегозащитных сооружений и технологии их строительства, обеспечивающих снижение стоимости, расхода материалов и трудоемкости, повышения качества и охрану окружающей среды" согласованной Госстроем СССР 7 апреля 1982 г. и утвержденной приказом Минтрансстроя № 202 от 24 августа 1982 г.

Выполненные исследования позволили существенно уточнить представления о гидро- и литодинамических процессах, протекающих в береговой зоне галечного пляжа. Показано влияние параметров волн и наносов, слагающих пляжи на такие важные для практики морской берегозащиты морфометрические характеристики прибойной зоны как длина и высота наката волн, глубина в месте их обрушения.

Установлено, что при проведении экспериментов с морских причалов необходимо учитывать их влияние как на донный рельеф, так и на процессы протекаемые в береговой зоне. По результатам природных наблюдений получена зависимость по определению вдольбере-говых расходов галечных наносов с учетом параметров волн и крупности материала слагающего пляж. Детальный анализ распределения крупности и формы части позволил уточнить схему дефференциации пляжевого материала на профиле и в толще. Показана взаимосвязь процессов формирования активной толщи пляжа с величиной расхода вдольберегового потока галечных наносов. На основании анализа лабораторных экспериментов дана оценка влияния волноотбойных стен на вдольбереговые расходы галечных наносов и на формируемый штормовой профиль пляжа. Анализ природных наблюдений позволил проследить динамику галечного пляжа, находящегося под защитой бун.

Результаты исследований могут быть использованы при определении вариантов берегозащиты, а также при проектировании искусственных галечных пляжей, методы расчета которых в настоящее время еще не созданы. Полученные расчетные зависимости войдут составной частью в разрабатываемые в настоящее время Черноморским отделением ЦНИИС методические рекомендации по созданию искусственных галечных пляжей. Часть полученных результатов уже внедрена в практику научно-исследовательских работ Черноморского отделения ЦНИИС.

Существующая технология восстановления галечных пляжей включает в себя комплекс работ, включающий возведение гидротехнических сооружений, основными и традиционными из которых являются волноотбойные стены и буны, строящиеся нередко совместно с волноломами, замыкающими межбунные отсеки. Если первые (волноотбойные стены) предназначены для предотвращения размыва особо ценных территорий и по своему назначению не являются средством сохранения или восстановления пляжей, в результате чего они отнесены к пассивным формам берегозащиты, то строительство бун основной своей целью преследует не только сохранение существующих, но и восстановление утраченных галечных пляжей. В результате чего, они относятся к активным средствам берегозащиты /95/. При этом решается ряд задач: сохраняется или восстанавливается пляж, который является основным средством защиты прилегающих приморских территорий от размыва, создаются благоприятные условия для развития курортной базы, решаются вопросы охраны окружающей приро- ды и ряд других. Волноломы, как самостоятельные сооружения в практике отечественной морской берегозащиты не получили широкого распространения. Обычно они применяются в комплексе с бунами.

Основная идея буйного варианта берегозащиты и создания под его прикрытием пляжа, заключалась в том, чтобы сохранить существующие и где нужно восстановить утраченные галечные пляжи до расчетных размеров, обусловленных конструктивными особенностями бун. Пополнение межбунных отсеков пляжевым материалом должно было осуществляться за счет естественного вдольберегового потока галечных наносов. Однако, во многих конкретных случаях, как например в районе г. Большое Сочи, из-за практически полного отсутствия современного вдольберегового переноса пляжевого материала бунный вариант оказывается не эффективным средством защиты берега от размыва и восстановления новых пляжей без искусственного пополнения межбунных отсеков пляжеобразующим материалом, что широко применяется в настоящее время. Так, например, в районе пос. Адлер на протяжении 4,5 км создан искусственный галечный пляж, находящийся под прикрытием пляжеудерживающих сооружений, питание которого осуществляется за счет материала, привозимого из карьера в ежегодном объеме примерно 25-30 тыс.м³. На некоторых участках побережья между г.Сочи и Туапсе небольшие свободные пляжи создаются из материала получаемого от срезки косогоров/73/. В настоящее время восстанавливаются галечные пляжи без применения пляжеудерживающих сооружений в районе пос. Гагра.

Однако эффективное проведение инженерных мероприятий по бе-регозащите невозможно без знания основных закономерностей динамики галечных пляжей с последующей оценкой влияния на естественный ход береговых процессов различного рода пляжеудерживающих сооружений. Расчетные схемы по созданию искусственных галечных пляжей как свободных, которые также рассматриваются как инженерное сооружение, так и находящихся под прикрытием пляжеудерживаю-щих сооружений должны опираться на строгие научные разработка, основу которых составляют закономерности развития естественных галечных пляжей. Инженерные методы по расчету и прогнозу функционирования создаваемых галечных пляжей должны опираться на достоверный, фактический материал, апробированный в широком диапазоне природных условий.

В последние десятилетия для общей характеристики формирования пляжей предложено несколько математических моделей, условно расчленяющих указанный процесс на два сопряженных явления: выработку динамически равновесного профиля пляжа и эволюцию берегового контура в плане. Наиболее ранние из них - модели Р.Пельнард- -Консидера {TeEnoird~Co!i>iolere, /157/) и В.Т.Бэккер (Ваккег, /157/) - позволяют рассматривать эволюцию береговой линии под действием волн как аналог процесса диффузии. Существенным недостатком модели Р.Пельнард-Консидера является ее одномерность (модель работает при постоянном профиле пляжа). В двумерной модели В.Т.Бэккер этот недостаток устранен учетом поперечных перемещений наносов при выработке динамически равновесного берегового профиля, но область применения этой модели все же оказывается ограниченной малыми углами подхода волн, поскольку влияние рефракции и дифракции последних в ней не учтено. Р.Ф.Хит (пеа/тк, /142/) предложена математическая модель волнового рассеивания берегового выступа, сложенного галечными наносами.

Указанные теоретические схемы получили дальнейшее развитие в математической модели динамики искусственных форм берегового рельефа, разработанной в 1975-1981 гг. в Черноморском отделении ЦНИИС (авторы - канд.геогр.наук 0.Л.Рыбак и ст.научн.сотрудник Л.И.Супрунов). В данной модели, как и в схеме В.Т.Бэккер, про- цесс исследуется в двух составляющих: поперечной и вдольбереговой. Предполагается, что выработка динамически равновесного профиля пляжа определяется только параметрами прибойных волн и составом слагающих склон наносов. Предельная форма профиля обеспечивает равномерное по длине распределение волновой энергии.

Эволюция береговой линии в плане поставлена в зависимость от соотношения емкости вдольберегового потока (определяемой теми же факторами, что и форма пляжа) и фактического поступления наносов с наветренных участков берегового контура. По указанной модели выработка динамически равновесного профиля должна происходить значительно быстрее, нежели формирование контура берега в плане. Таким образом, начиная с некоторого момента, оказывается возможным смещение берегового профиля без изменения его формы (т.е. параллельно самому себе). Применяя спектральный подход к оценке волнения, исследуя трансформацию волновой энергии и формирование расхода наносов с использованием эмпирических данных и фундаментальных разработок М.Лонге-Хиггенса, В.В.Лонгинова, Р.Д.Комар, В.В.Сакварелидзе и делая ряд допущений, авторы модели получили метод расчета динамически равновесной формы профиля пляжа, фракционного распределения наносов на нем и поперечной структуры вдольберегового потока пляжеобразующего материала. Следует сразу же оговорить, что полученная структура оказывается фиктивной, поскольку не связана с действительным содержанием отдельных фракций в составе исходной смеси (которое может существенно регламентировать процесс).

Перечисленные выше, в основном, теоретические методики расчетов дают результаты, значительно генерализованные во времени и пространстве. При необходимости оценки масштабов процесса за продолжительные периоды в -этих методиках приходится оперировать его усредненными темпами, обоснованное принятие которых в условиях нелинейности само превращается в достаточно сложную задачу. Более правильный в такой обстановке дифференциальный подход, основанный на мелкоэтапном решении вопроса о взаимной подстройке гидравлики прибоя и морфологии пляжа, даже с применением ЭВМ оказывается слишком громоздким. При неустановившемся режиме волнения задача усложняется еще больше. Кроме того, реализация теоретических схем невозможна без предварительного определения исходных параметров, граничных условий, уточнения роли отдельных факторов и некоторых дополнительных обстоятельств. Важное значение приобретает опытная проверка теоретических расчетов. Все это говорит о том, что дальнейший прогресс в разработке методики таких расчетов существенно зависит от развития эмпирических исследований (природных и лабораторных).

Переходя к оценке эмпирической изученности процесса волновой переработки отвала в пляж, можно отметить следующее. Работ, специально посвященных этому вопросу (и, в частности, динамике галечных отвалов), нам пока неизвестно. Цравда, некоторую аналогию указанному процессу можно усмотреть в волновой переработке устьевых баров рек, исследовавшейся, в качественном отношении, В.В.Ромашиным /85/ и А.Н.Бутаковым /9/, а в количественном - Д.В.Ого-родниковым /70/. Однако, во-первых, устьевой бар может считаться аналогом только затопленного отвала, во-вторых, сама аналогия в этом случае оказывается неполной ввиду наличия за баром речного устья и, в-третьих, любой отвал, по своему сложению, сильно отличен от естественных форм рельефа, образованных переотложением наносов текущей водой. Последнее из перечисленных обстоятельств значительно усложняет проблему. Структурное преобразование отвала в пляж, по своему характеру, включает в себя элементы механи- - II - ки грунтов, т.е. выходит за рамки чисто гидродинамических явлений. Ни одна из предложенных ранее схем не учитывает этого важного обстоятельства.

Таким образом, существующие математические модели, принципиально пригодные для расчета волновой переработки галечного отвала в пляж, требуют существенного усовершенствования, а эмпирической основы для такого усовершенствования пока не создано.

При всем внешнем многообразии гидролитодинамических явлений, протекающих в береговой зоне моря, их сущность едина - взаимодействие волн с береговым склоном, направленное к выработке их взаимного соответствия (динамического равновесия). Формы достижения такого соответствия могут быть разными. На участках склона, сложенного неподвижным материалом, указанное соответствие достижимо только за счет изменения волновых параметров (рефракции и трансформации волн). Там же, где склон сложен подвижным материалом, оно достигается, главным образом, путем переотложения наносов и переформирования склона.

В природной обстановке почти всегда реализуется нестационарный тип пляжеобразования, в котором имеет место определенное несоответствие рельефа пляжа параметрам синхронно наблюдаемых волн. Неустойчивость волновой обстановки делает само понятие динамического равновесия довольно условным. Тем не менее, колебательный (обратимый) характер указанной неустойчивости дает право принимать в качестве равновесного состояния пляжа тот предел, вокруг которого происходят многолетние флуктуации его рельефа. При этом возникает необходимость генетической увязки морфологии равновесного пляжа с определяющими факторами: параметрами волн и наносов.

Расчетные параметры среды, используемые при проектировании неразмываемых берегозащитных сооружений, регламентируются соответствующими СНиПами, в которых главное внимание сосредоточено на предельных значениях этих параметров, соответственно заданному сроку службы сооружения (т.е. классу его капитальности). ПРи переходе к сооружениям размываемого типа существенное значение приобретают все параметры среды, влияющие на подвижность наносов. Наиболее естественным для оценки способности волн перемещать наносы является энергетический подход к волновому режиму. Принципиальная разработка волноэнергетического метода была выполнена А.М.Едановым /23/. Указанный метод обосновывал только режимную сторону вопроса. Позже появилось несколько работ, акцентирующих внимание на распределении волновой энергии в системе волн /65, 67/. Однако, никем еще не предпринималось серьезных попыток проанализировать этот вопрос одновременно в системном и режимном аспектах и в приложении к выработке динамически равновесного профиля пляжа.

Говоря об оценке энергии прибойных волн, нельзя умолчать о тех трудностях, с которыми приходится сталкиваться при необходимости восстановления волнового режима на неизученных участках морских побережий. Существует два рекомендованных метода такого восстановления: I) расчетом по ветрам /66/ и 2) переносом данных с прибрежных волномерных постов черех глубоководную зону моря /25/. Первый метод предполагает знание ветрового режима на акватории моря, и в районах с большой повторяемостью зыби становится ненадежным. Второй метод сильно зависит от местных условий экранирования прибоя на реперном волномерном посту. Выполненные в Черноморском отделении ЦНИИС экспериментальные расчеты по двум указанным методикам обнаружили большое расхождение результатов, выразившееся не только в искажении величины береговой проекции энергетической равнодействующей, но даже в перемене ее направления, противоречащей морфологически зафиксированной направленности вдольберегового потока наносов. - ІЗ -

Наряду с параметрами действующих волн, на подвижность пля-жевого материала существенно влияет сопротивление частиц наносов сдвигу (их крупность, плотность и форма). В условиях русловых (поступательных) потоков это свойство исследовано достаточно подробно /14,19, 51, 110/. В последнее время аналогичные разработки стали выполняться и применительно к волновым потокам, в которых предполагаются значительные ускорения /12, 61/. Однако, в указанных разработках рассматривается, преимущественно, зона, предшествующая обрушению волн и накату прибойного потока на пляж. Полученные зависимости неудобны для практического использования, поскольку связывают крупность сдвигаемых частиц не с параметрами волн, а с такой трудноопределимой величиной, как максимальная придонная скорость. Совершенно не исследован вопрос о влиянии на условия сдвига наносов неоднородности их состава. А, между, тем, в огромном большинстве случаев, пляжевый материал неоднороден, так что его вовлечение в транспорт может носить избирательный характер. Эта избирательность перемещения неизбежно предполагает взаимодействие частиц разных фракций: относительно крупные нано-' сы влияют на подвижность более мелких, либо динамически затеняя участки берегового склона /14/, либо, наоборот, интенсифицируя транспорт посредством соударений частиц /17, 50/. Поэтому представляется целесообразным выделение двух разных пороговых состояний пляжевого материала: I) индивидуального сдвига частиц отдельных фракций и ) массового сдвига всей смеси наносов. Второй из этих пределов особенно интересен, поскольку зависит не только от крупности частиц, но и от их относительного содержания. Природные исследования в горных русловых потоках /86/ показали, что массовый сдвиг неоднородного галечного материала носит лавинообразный характер и связан со сдвигом частиц наиболее многочисленной фракции. В роли последней обычно выступают наносы средней крупности (50% по кумулятивной кривой грансостава). Влияние неоднородности наносов на критические условия сдвига частиц отдельных фракций учитьшается введением в расчетные формулы коэффициента неоднородности, определяемого по одному из рекомендуемых в литературе методов.

Динамика пляжеобразующих наносов интересует практику морской берегозащиты в двух отношениях: I) с точки зрения валовой количественной оценки транспорта этих наносов как составляющей их баланса и 2) в отношении механизма и стуктуры такого транспорта (сортировки материала и выработки рельефа).

Первые количественные оценки вдольберегового перемещения галечного материала на пляжах Черноморского побережья Кавказа, выполненные П.К.Божичем /7/ и Д.Свищевским /96/, опирались на эпизодические съемки пляжевой полосы. Этот интегрально-объемный метод исследований (нашедший впоследствии широкое применение в работах В.П.Зенковича /29, 30, 32/), обеспечивал приближенное определение лишь результирующей величины вдольберегового потока наносов к оказался недостаточным для увязки последней с характеристиками волнового режима. Указанный недостаток был устранен детальными натурными исследованиями A.M.Жданова /24/, проведенными на рубеже сороковых-пятидесятьк годов. Методика А.М.Жданова соединила в себе элементы объемного и индикаторного методов и позволила впервые перейти к расчетам миграции наносов по параметрам действующих волн. Однако, поскольку в предложенной эмпирической связи никак не учтено влияние крупности и состава пляжевого материала, попытки ее распространения за пределы экспериментального участка берега нельзя считать обоснованными. Позже для расчета вдольбереговых расходов наносов были предложены различные зависимости, как правило, лабораторного происхождения.

Их общим недостатком является сравнительная узость, либо даже неопределенность области применения к природным условиям.

Анализ механизма перемещения и сортировки неоднородных пля-жеобразующих наносов прибойньм потоком представляет наиболее сложную область исследований берегового процесса. Сложность эта обусловлена как высокой динамичностью протекающих в этой зоне явлений, так и чисто техническими трудностями их достоверной регистрации. Основное внимание при этом уделяется следующим природным явлениям: I) энергетическим превращениям в накате, исходным характеристикам и пределам действия прибойного потока, 2) пространственно-временной структуре (гидравлике) наката-отката, 3) условиям сдвига и механизма перемещения наносов прибойным потоком, 4) результирующей продольно-поперечной сортировки пляжеобразую-щего материала и выработки динамически равновесного рельефа пляжа. Далее характеристика изученности процесса дается в указанной последовательности.

Вопрос об энергетических превращениях, сопровождающих окончательное разрушение волн, исследован крайне слабо. В 1971 году была опубликована работа А.Фюрабётера ( FufiragSter, /133/), посвященная такми превращениям только за счет аэрации. Более полно структура потерь волновой энергии в прибое рассмотрена Ф.Джер-ритееном ( Qerrituen-, /136/), который выделил три специфических компонента таких потерь: трение о дно, обрушение волн и энергообмен между разными участками волнового спектра. Таким образом, имеющиеся разработки не освобождают от необходимости прямой регистрации основных параметров зарождающегося прибойного потока.

Исследования общей гидравлики прибоя развернулись, в основном, с середины пятидесятых годов. Обзор зарубежных разработок в этой области содержится в труде Б.Меоте и Ф.С.Коч ( v-ooh-j /156/). В теоретическом плане вопрос исследуется в работах ВЖеоте /155/, Я.А.Бэттис ( 3attjes, /121/), Р.М.Киладзе /15/, А.А.Якимова и А.И.Янушаускаса /По/, З.М.Ляхтер и А.Н.Ми-литеева /64/, Д.Х.Перегрина ( РёгеаПпв^ /165/), В.В.Сакваре-лидзе /92/, И.Ш.Шадрина /109/, Б.В.Шуляка /112/, Е.Д.Кокелит (Cokefet, /129/), К.Е.Пирсона (%otr$0/i_f /164/).

Собственно зоне наката посвящена только часть перечисленных работ. Для описания явления заплеска применяются разные математические модели: неустановившийся поток без учета сил сопротивления, подвижная область размазанного разімва, бор и др. Задача решается с привлечением уравнений движения, неразрывности, сохранения энергии и импульса. В последних работах используются численные методы решения уравнений мелкой воды. Особо выделяется работа Д.Х.Перегрина /165/, рассматривающая двухслойную модель сдвиговой волны и решающая вопрос о происхождении вторичных отраженных волн в откате. Результаты большинства исследований представлены в виде уравнений для расчета некоторых интегральных характеристик потока наката: длины, высоты, средней и максимальной скорости. При этом разными авторами роль решающих факторов процесса (уклона пляжа и крупности отложений) трактуется по-разному, вплоть до диаметрально противоположных точек зрения. Области применения полученных зависимостей довольно ограничены, поскольку в них не учитываются влияния фильтрационных явлений и энергетических потерь на транспорт наносов. Слабо исследована фаза отката. Методик, пригодных для детального структурного расчета потоков наката и отката, пока не создано вообще.

Большая группа работ посвящена исследованиям указанных явлений в лабораторных условиях. Сюда относятся работы К.Н.Грэхем {(^rantkanL_T/Y6l/), Я.В.Холла и Дж.М.Уаттса ( Halt₉ Wattg, /138/), К.Каплан ( А^/>/?Я72,/148/), Ф.Вэссинга ( tofeS/^/172/), Т. Сэ вилла (Qaviffe, /169/), Р.П.Сэвэджа ( &№дё₉/Ш/), И.А.Ханта ( Hunt, /139/), Т.Кишиа и Х.Саеки ( Hislua, Saefct, /150/), К.Д'Ангремонда и И.Х.Ван.Ооршота (d'Anfremoriat_f4anOorsliot? /118/), Х.Хироши ( Hiroskl, /143/), Д.Я.Сазерленда ( Suiherfand_f/i4Q/\_% А.Роуза и Я.А.Бэттиса ( Псое, ЪаЩе$, /167/), В.Г.Ван.Дорн ( Дот, /171/) и других исследователей. Практически все эксперименты велись на жестких (неподвижных) откосах и в ограниченных диапазонах уклонов. Влияние на накат шероховатости и проницаемости склона исследовалось только Р.П.Сэвэджем /168/. В работах К.Д'Ангремонда и И.Х.Ван.Ооршота /118/, Х.Хироши /143/ и А.Я.Сазерленда /170/ исследования велись при нерегулярном волнении. И.А.Хант /139/ получена первая зависимость относительной высоты наката от высоты и периода обрушивающихся волн, широко используемая зарубежными авторами. Т.Киши /150/ и В.Г.Ван.Дорн /Г?1/ дополнили эту зависимость учетом влияния уклона откоса. По уклонам и условиям обрушения волн, для рассматриваемой здесь темы наиболее подходят результаты опытов Ф.Вэссинга /172/, Т.Киши /150/, А.Роуза /167/.

Натурные исследования гидравлики наката немногочисленны. Здесь можно упомянуть работы В.К.Гуделиса /18/, В.И.Кирлиса /47/, Н.С.Сперанского /99/, Е.Вэддель ( \fJaddel?₇ /173/), Х.Х.Детте и А.Фюрабётера {Деііе, FuLraSHer, /ш/, Д.А.Хантли и А.И.Боуэна ( \iun.iEe^ Зоч/егъ, /145/), Г.М.Центерадзе /ИЗ/, Ю.А.Хансен ( HoiP-serL, /140/). Среди перечисленных исследований непосредственно приглубым галечным пляжам посвящены только работы Н.С.Сперанского /99/ и Г.М.Центерадзе /ИЗ/. Особое место занимает работа Д.А.Хантли и А.И.Боуэна /145/, в которой проводится сопоставление натурных данных по приглубым и отмелым пляжам. Г.М.Центерадзе /ИЗ/ получены эмпирические формулы для оценки длины и средней скорости наката. Н.С.Сперанский /99/ исследовал максимальные скорости потока заплеска и общий характер их изменения по профилю.

До сих пор недостаточно разработанным остается вопрос оценки начальных условий влечения пляжеобразующих наносов. Возможность перенесения в пробойную зону зависимостей, установленных на русловых потоках, дискуссионна. В работе П.Комара и М.Миллера (Кдт&Г, ЦИ-Іе?-) /153/) утверждается недостаточность критерия Шильдса применительно к потокам волнового характера ввиду того, что указанный критерий не учитывает влияния ускорений. Напротив, О.С.Мадсен и В.Д.Грант ( Madsen, (тГап-і:, /158/), в статье, опубликованной тремя годами позже, доказывают равную применимость этого критерия ко всем типам потоков (включая и волновые). Исследования затронутого вопроса ведутся, в основном, двумя методами: теоретически (оценкой равновесия сил, действующих на частицу наносов) и экспериментально. Наиболее полные теоретические разработки в этом направлении содержатся в труде М.С.Каретну с и&ъ /126/). Экспериментальные данные приводятся Р.А.Бэгнольдом ( ЪааПоЕо!, /119/), М.Манохар {МоіП0ІШГ₉ /159/) П.А.Волковым /12/, Р.Я.Рэнсом и Н.Ф.Уорреном (Rof/lce,WcirrefZ_r/I№/), И.Я.Поповым и Н.М.Горшуковой /80/ (все перечисленные источники характеризуют условия сдвига вне зоны опрокидывания волн и наката). В натурных условиях этот вопрос не исследовался.

Большой интерес для оценки механизма перемещения наносов представляет возможность отрыва частиц от берегового склона (т.е. явление сальтации). В последнее время появился ряд работ, по новому освещающих природу указанного явления и его влияние на гидравлику потока. Опираясь на результаты экспериментальных исследований Ю.Н.Кривенко /50/, Н.Н.Гришин /17/ и Х.Накагава ^ltakxaaW^_f /163/) доказывают ведущую роль в отрыве частиц от дна, от их взаимных соударений. В исследованиях С.Д.Доброклонского /20/ и Н.А.Михайловой /68/ обращено внимание на снижение критических скоростей отрыва при наличии восходящих фильтрационных токов в поверхностном слое грунта и на их повышение - при нисходящих токах. Последнее обстоятельство должно оказывать большое влияние на подвижность материала в зоне наката-отката, где имеет место фазовое чередование инфильтрации и высачивания. Кроме того, Н.А.Михайловой /68/ отмечено снижение критических скоростей в зонах ускоренного течения. Указанный эффект, по-видимому, тоже связан с появлением восходящих фильтрационных токов при ускоре нии основного потока (нарушение гидростатического равновесия). Ряд работ посвящен анализу скоростей перемещения наносов однонаправленными или волновыми потоками (для первых анализиру ются действительные скорости переноса, для вторых - результирую щие в проекции на береговую линию). В экспериментальной работе М.Байазит и Х.Денкер ( Ъа^аг-itj ДенкеГ; /122/) обнаружено сильное влияние относительной шероховатости дна на продолжитель ность фазы покоя влекомых частиц наносов: при увеличении шерохо ватости вдвое эта фаза удлиняется в 30 раз. Соответственно ме няется и усредненная во времени скорость перемещения частиц (ха рактеризующая расход наносов). В работе В.В.Романовского /84/ аналогичный эффект проявляется в изменении относительных скорос тей твердых частиц, движущихся в режиме сальтации: в момент сдвига отставание этих частиц от потока равно скорости последне го, а при развитом взвешивании это различие в скоростях полностью исчезает. Сходные результаты получены в работах Я.Р.Фрэнсис( FrctnclSf /132/) и К.М.Арбулиевой с соавторами /5/. Вместе с тем, натурные исследования Р.Р.Батлер ( ЗиШёЪ /126/) и

Х.Масатаро и С.Такасуке (HotsatarOf 7akauko₉ /160/) не обнаружили каких-либо различий в скоростях перемещения разных фракций наносов, что дало повод к увязке сортировки материала исключительно только с процессом его дробления и истирания. Большой интерес представляет работа И.Боуген ( Ъовёп-, /124/), анализирующая эффект гистерезиса в системах переноса руслоформи-рующих наносов. Работ, посвященных специально натурной оценке вдольбереговой подвижности галечных наносов, сравнительно мало. Эти исследования З.М.Пешкова /77/, О.Й.Халатяна /106/, Е.Ф.Мэт-тхевса ( Uattkew*, /161/) и упомянутая выше работа Х.Масатаро /160/. Размеры деятельного слоя галечных пляжей определены только в работе А.И.Введенской /II/.

Сравнительно слабо разработанной, применительно к галечным пляжам, остается проблема сортировки наносов и формирование динамически равновесного профиля. В широком аспекте эта проблема затронута Н.С.Сперанским /100/. Теоретические исследования динамически равновесного профиля галечного пляжа выполнены С.С.Григоряном /16/ и В.В.Сакварелидзе /90/. В первой из упомянутых работ анализируется случай уравновешивания силы тяжести лежащей на склоне частицы гидродинамическим сопротивлением и силой трения в фазе отката прибойного потока. При этом положение частицы на склоне считается неизменным, что очевидно, должно характеризовать статическое равновесие. В этом отношении, более соответствующими действительности представляются построения В.В.Сакварелидзе /91/, основанные на анализе устойчивости колебаний прибойного потока. Известными недостатками этих построений являются ограниченность решения случаем нормального подхода волн, неучет фильтрации (приобретающей на галечных пляжах большое значение) и-отсутствие натурно-экспериментальной проверки полученных зависимостей. Полуэмпирические исследования поперечного перемещения наносов и выработки равновесного профиля пляжа, с использованием лабораторных экспериментов, проводили многие авторы, но только отдельные из этих работ применимы к условиям галечных пляжей. Наибольший интерес, в этой связи, представляет работа Е.Хыома С HiJ№f /144/), выполненная в Делфтской лаборатории. Указанным автором проведено исследование процесса выработки профиля пляжа в гравийном материале с вариацией исходного уклона, крупности частиц, высоты и периода регулярных волн, а также при трех разных углах их подхода к берегу. Выдвижение склона было равномерным по всей длине модели (без мысов и бухт). Опыты сопровождались регистрацией наиболее важных параметров среды: наката, критических скоростей сдвига наносов и их сортировки, формы берегового профиля. Среди полученных результатов особый интерес вызывают два положения. Во-первых, утверждается слабая зависимость вдольберегового транспорта наносов от величины потока волновой энергии по линии обрушения (вывод достаточно парадоксальный). Во-вторых, обнаружена связь между критическими скоростями сдвига и глубиной воды, аналогичная условиям в русловых потоках.

В натурных условиях динамика естественных галечных пляжей изучена односторонне: при значительном числе работ, анализирующих общие качественные тенденции этого процесса, почти нет исследований его механизма в количественном выражении. Для устранения такого недостатка необходима постановка специальных, комплексных наблюдений в прибойной зоне непосредственно в штормовых условиях. На галечных пляжах указанная задача была частично решена A.M.Ивановым в 50-х годах. С 1974 года в Черноморском отделении 1#ШИС организованы штормовые наблюдения со свайных эстакад в двух пунктах Черноморского побережья Кавказа. Часть полученных результатов нашла отражение в работе Н.А.Ярославцева /117/.

Вопрос сортировки на галечных пляжах (особенно по фазам волнового режима) относится к числу наименее разработанных. Существует представление /100/, что при стационарном волнении пляже-вый материал дифференцируется на профиле соответственно зональности гидравлических условий. В конечном счете, такая дифференциация ведет к повышению степени однородности наносов в каждой точке активного слоя пляжа (сравнительно с подстилающим массивом отложений). Это интересное явление можно назвать формированием отмостки. Но в практике литодинамических исследований под формированием отмостки обычно понимается частное проявление этого процесса, заключающееся в относительном обогащении поверхностного слоя отложений крупнозернистыми фракциями за счет некомпенсированного выноса более мелких частиц. При определенных условиях такое обогащение может нарушать подвижность материала и, тем самым, ограничить выработку динамически равновесных форм берегового рельефа. Это определяет большой интерес, проявляемый к упомянутому явлению. Как и многие другие вопросы динамики наносов, формирование отмостки раньше начало исследоваться в русловых потоках. В этой связи следует назвать работы В.С.Кнороза /49/, В.Ш.Цыпина /114/, М.Н.Бухина и В.В.Онищука /10/, М.Рэйазит ( Tayazit, /123/), Н.И.Зудиной с соавторами /38/, Р.Гарде, А.К.Эль-Шейха и С.Дитте iQ-arde^l~>kaikk_f &Ме,/135/) ,А.М.Му-саева /69/), Т.Дэй ( A&tf ? /130/). Применительно к формированию отмостки под действием волн пока известна лишь одна работа В.С.Алтунинаи Ю.В.Писарева /4/. При переменных волновых условиях процесс сортировки пляжеобразующегося материала меняется соответственно изменениям положения и структуры зоны наката. Получаемая при этом интегральная картина распределения отложений на природных галечных пляжах оказывается крайне пёстрой и допускает районирование только в самых общих чертах (в укрупненных показателях). Тем не менее и эта весьма приближенная картина представляет интерес в связи с оценкой возможных пределов формирования галечных пляжей. Имеющиеся на этот счёт характеристики пляжей Черноморского побережья Кавказа довольно фрагментарны, и, как правило, не увязаны с основными факторами, либо не сведены в стройную генетическую систему, допускающую прогнозирование явлений. Среди ра- бот, содержащих полезную информацию по рассматриваемому вопросу (включая морфологию и динамику пляжей побережья в режиме), можно назвать исследования В.П.Зенковича /36, 31/, А.В.Живаго /27/, Ю.С.Кашина /41/, А.В.Зарва /28/, В.В.Лонгинова /57, 59/, А.Г.Кик-надзе /42/, А.Ю.Агаркова /2/, Я.Ф.Хачапуридзе /108/, О.И.Халатя-на /107/, И.П.Геловани /13/, В.М.Пешкова /37/.

Однако, не смотря на обилие вышедшей литературы можно канет атировать, что многие вопросы исследованы недостаточно. Даже для таких простых, но крайне важных для инженерного проектирования искусственного галечного пляжа характеристик прибойной зоны как длина и высота наката волн, глубина в месте их обрушения нет надежных зависимостей, учитывающих параметры волн и наносов. Еще менее изученным вопросом является динамика созданных искусственных галечных пляжей как свободных, так и находящихся под прикрытием пляжеудерживающих сооружений. Специальных исследований по динамике искусственных галечных пляжей не встречается, за исключением отрывочных сведений общего характера. Крайне слабо изучен вопрос влияния берегозащитных сооружений на естественный ход береговых процессов, за исключением описания некоторых негативных последствий на динамику пляжа /15, 33, 44, 78, 79/.

Таким образом, выполненный обзор литературы позволяет утверждать о недостаточной изученности природных процессов, протекающих на галечных пляжах и влияния на них берегозащитных сооружений.

Состав и методика исследований

Эффективность использования капитальных вложений при восстановлении галечных пляжей во многом определяется расчетной схемой прогноза литодинамических процессов протекающих в береговой зоне. Для научного обоснования такой схемы в течение последних лет в Черноморском отделении ЦНИИС ведутся натурные режимные наблюдения за морфодинамикой естественных галечных пляжей /40/.

Многогранность рассматриваемых явлений делает нецелесообразной развернутую характеристику состава и методики выполненных исследований отдельно от анализа их результатов. Такая характеристика, по мере необходимости, дифференцирована и вынесена в соответствующие разделы. Здесь рассматриваются лишь основополагающие моменты структуры работы в целом, а также описание методики, существенно отличающейся от традиционно применяемой при исследовании динамики пляжей как в природных, так и лабораторных условиях.

Для облегчения понимания используемых терминов на рис. I показана схема штормового профиля галечного пляжа с обозначением основных его элементов и исследуемых величин. Под галечным пляжем понимается элементарная аккумулятивная форма, образовавшаяся при среднем многолетнем уровне моря под воздействием прибойных потоков наибольших по силе волнений. Часто галечные пляжи несут на себе следы волнений уменьшающихся по своей силе. Границей галечного пляжа и подводного склона является резкий перегиб в рельефе, иногда называемый "подошвой" пляжа, с которого начинается зона распространения песка. Уровень спокойной воды делит галечный пляж на надводную и подводную части.

Основные морфометрические параметры прибойной зоны

Ряд теоретических и прикладных задач литодинамики береговой зоны не может быть решен без использования количественных характеристик как прибойного потока, так и зоны наката. Определение границ волнового наката является важной информацией при планировании широкого диапазона береговых работ, включая проектирование и строительство различного рода берегозащитных сооружений.

Расчетам глубины последнего обрушения волны, высоты и длины ее наката посвящено значительное количество научных работ и нормативных документов. Однако, большинство исследований наката базируется либо на данных экспериментов, проводимых в бассейнах и лотках, либо на материале природных наблюдений, выполненных на бетонных откосах гидротехнических сооружений.

Черноморским отделением ЦНИИС, начинал с 1974 г. ведутся систематические наблюдения за прибойной зоной приглубых галечных берегов с причалов, выходящих за пределы подводной части пляжа. За время штормовых наблюдений с причалов фиксировались места обрушения и вершины заплеска, определялись высота, период и угол подхода не менее 100 подряд идущих волн, измерялся штормовой профиль. Кроме того, специальным отборником (рис.26) брались пробы пляжевого материала поверхностного слоя (толщиной до 15см) штормового профиля в пределах прибойной зоны. По полученным данным строились кривые обеспеченности длины и высоты наката, а также высот волн и глубин в месте их обрушения (рис.7).

Расходы и поперечная структура вдольбе-регового потока галечных наносов

Вдольбереговое перемещение наносов является одним из самых сложных и малоизученных процессов, протекающих в береговой зоне моря. При этом большое значение, особенно для практических целей, имеет количественная оценка объема материала, перемещающегося вдоль берега.

В течение 1975-1983 годов Черноморским отделением ЦНИИС велись систематические исследования гидролитодгшампческих процессов, протекающих в береговой зоне моря. Цель исследований - выяснение особенностей и уточнение закономерностей вдоль-берегового перемещения галечного материала в соответствии с параметрами волн и составом пляневых отложений.

Программа, исследований включала: измерение параметров волн эхолотом перед зоной их окончательного разрушения, промеры профиля пляжа в различные фазы шторма, определение нижней границы зоны движения плякивого материала, измерение вдольберегового расхода галечного материале при немощи ловушек, отбор проб донных отлокений по профилю. Исследования проводились с причалов.

Ловушка, применяемая для наблюдения за интенсивностью вдоль-берегового перемещения галечного материале:., представляет собой жесткий каркас длиной 0,35 м, обтянутый металлической сеткой с отверстиями размером 2x2 мм. Входное отверстие ловушки выполнено в виде прямоугольника со сторонами 0,25x0,15 м (рис.2а). Ловушка опускалась на штанге в отдельные точки профиля в зоне вдольберегового перемещения пляжевого материала входным отверстием навстречу потоку наносов. Поскольку ловушка способна удерживать лишь определенный объем наносов, то при интенсивном наполнении она опускалась в одну и ту же точку профиля многократно , с расчетом чтобы суммарная экспозиция в каждой точке соответствовала прохождению не менее ЮС волн. Это обеспечивало получение осредненной интенсивности вдольберегового перемещения гальки в каждой точке профиля, а полный цикл измерений давал возможность проследить изменение интенсивности перемещения по профилю и вычислить общий расход пляжевого материала за единицу времени (рис. 24).

Как известно, интенсивность вдольберегового потока наносов зависит от параметров волн и угла их подхода к береговой линии, а также крупности наносов слагающих пляж. Полученные эмпирические зависимости, связывающие расход наносов с параметрами волн, как показано в обзорах /62,82,87,154/ в большинстве случаев устанавливают связь объемов перемещаемого материала с энергией волн в данной точко. Поэтому во многих зависимостях используется именно энергия, как наиболее полная арактеристи-ка волнения. П.Д.Комар и Д.Л. Инман /151,152/ нашли, что физически более обоснованны!» ! показателем является не энергия, о градиент потока энергии на данном элементарном участке.

Влияние волнотбойных стен на динамику галечного пляжа

Защита морских берегов от разрушительного воздействия волнения в частности проблема берегозащиты Кавказского побережья Черного моря является важной народнохозяйственной задачей /15, 33,34,44,26,98,168-170/. Размыв и сокращение пляжей, абразия коренного берега, уничтожение ценных прибрежных и сельскохозяйственных территорий, строений и коммуникаций - вот далеко не полный перечень явлений ; борьба с которыми требует огромных капиталовложений.

Не останавливаясь на причинах, приведших к сокращению пляжей и усиленному размыву побережья, которые являются следствием как естественного развития побережья, так и результатом антропогенного вмешательства /15,26,34,43,44/, следует отметить, что защита побережья от размыва осуществлялась вос-новном за счет строительства волноотбойньк стен и бун, в меньшей степени волноломов и возведения некоторых других гидротехнических сооружений. Однако, во многих случаях мероприятия по берегозащите проводились без должного учета природных процессов, что не обеспечивало необходимых результатов. Более того, возводимые инженерные сооружения, в значительной степени нарушая естественный ход берегов процессов, давали толчок к распространению негативных явлений на ранее стабильные участки побережья /79/.

Буны, подводные волноломы и волноотбойные стены различного конструктивного исполнения были и, по-видимому, в ближайшее время останутся основными берегозащитными сооружениями. Главное их предназначение - удерживать и накапливать пляжевый материал, гасить энергию волн на подходе к берегу, противостоять натиску прибойного потока приводящего к разрушению коренного берега.

Несмотря на почти сорокалетнее активное применение данных типов конструкций в практике морской берегозащиты, процессы, протекающие непосредственно на защищаемых участках побережья, остаются крайне слабо изученными. Еще менее исследованы процессы, протекающие на пляже в межбунном отсеке. Незнание закономерностей явлений, протекающих на защищаемых участках побережья, приводит к тому, что об эффективности берегозащитных мероприятий судят по косвенным признакам, во многих случаях не разделяя последствий, вносимых самими сооружениями, и результата естественного хода береговых процессов на данном уча-стве побережья.

Возведение волноотбойных стен связано с их прямым предназначением - защитить ценные участки суши от размыва. Они не призваны ни сохранить существующий перед ними пляж, ни тем более его восстановить.

Динамика галечного пляжа находящегося под защитой пляжеудерживащих сооружений

Имеющиеся в литературе данные о влиянии на пляж бун отражают воздействие в целом всего берегозащитного комплекса или отдельной буны на динамику пляжа, находящегося ниже по потоку наносов, то есть влияние берегозащитных сооружений сводится к низовым размывам без рассмотрения динамики галечного пляжа (естественного или искусственно созданного) непосредственно на участках расположения самих сооружений.

В виду многообразия и сложности процессов, протекающих на галечных пляжах на участках побережий, находящихся под защитой берегозащитных сооружений, остановимся на рассмотрении закономерностей пляже образования, являющихся результатом как естественного хода береговых процессов, так и влияния на них сооружений. Детальное рассмотрение и выделение ведущих факторов определяющих формирование и дальнейшее функционирование галечных пляжей в условиях влияния пляже удерживающих сооружений на естественный ход береговых процессов пока не представляется возможным из-за сложности протекающих здесь явлений и трудности их изучения. Некоторые результаты создания и функционирования галечных пляжей, находящихся под прикрытием пляже удерживающих сооружений, рассмотрим на примере Адлерского берегозащитного комплекса с момента начала его строительства и по настоящее время, возведенного на размываемом основании, сложенном гравийно-галечными и песчаными наносами.

Рассматриваемый участок берега, протяженностью 4,4 км представляет собой часть аккумулятивного мыса, сформированного древне дельтовыми и современными отложениями рек. Береговая линия на участке практически прямолинейна и ориентирована с северо-запада на юго-восток. Круто наклоненная подводная часть пляжа переходит в береговой склон, представляющий собой широкую террасу (рис.35).

В настоящее время данный участок берега отличается полным отсутствием вдольберегового потока галечных наносов, вследствие его истощения и перехвата системой бун и волноломов, расположенных с северо-западной стороны. До создания этих сооружений естественный вдольбереговой поток галечных наносов был направлен здесь с северо-запада на юго-восток.

Система берегозащитных сооружений, строительство которой осуществлялось в 1965-69 гг., включает волноотбойную стену откосно-ступенчатого типа, бун длиной 55-63 м, выходящие на глубины 2-4 м, и волноломы, замыкающие два межбунных отсека в северной половине участка. Позднее таким же типом конструкций укрепили берег, расположенный северо-западнее рассматриваемого участка. Одновременно с возведением берегозащитного комплекса на участке отсыпали пляжеобразуощий материал, объем которого к 1969 г. достиг 229 тыс.м3 /72/.