Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современные представления о динамике галечных пляжей и постановка задач исследования
1.1 Основные природные факторы динамики галечных пляжей
1.2 Динамика галечных пляжей Выводы по главе 1 и постановка задач исследования
Глава 2 Гидродинамика прибрежной зоны моря
2.1 Элементы ветровых волн на открытой акватории
2.2 Трансформация волн в прибрежной зоне
2.3 Волны на огражденных акваториях
2.4 Волновые течения
2.5 Уровень моря Выводы по главе 2
Глава 3 Математические модели динамики галечных пляжей
3.1 Транспорт галечных наносов в прибрежной зоне моря
3.2 Модели динамики галечных пляжей
Выводы по главе 3
Глава 4 Калибровка математических моделей динамики галечного пляжа
4.1 Предварительные расчеты
4.2 Методика гидравлического моделирования
4.3 Калибровка математических моделей береговых пляжей по данным гидравлического моделирования
4.4 Калибровка модели динамики островного галечного пляжа Выводы по главе 4
Глава 5 Практическое применение моделей динамики галечных пляжей
5.1 Вариант сочетания бун и волноломов на восточном участке Приморской набережной в г. Сочи
5.2 Традиционная система относительно коротких бун для реконструкции Приморской набережной
5.3 Бухтовый вариант реконструкции Приморской набережной 126
5.4 Формирование бухтовых пляжей с искусственными мысами 130 Выводы по главе 5 137
Заключение 140
Публикации материалов диссертации 145
Список литературы
- Динамика галечных пляжей Выводы по главе 1 и постановка задач исследования
- Трансформация волн в прибрежной зоне
- Калибровка математических моделей береговых пляжей по данным гидравлического моделирования
- Традиционная система относительно коротких бун для реконструкции Приморской набережной
Динамика галечных пляжей Выводы по главе 1 и постановка задач исследования
Береговая зона моря является пограничной зоной между гидросферой и литосферой. В ней происходят сложные процессы взаимодействия суши и моря, заключающиеся в механическом перемещении твердого и жидкого вещества, а также в различных химических превращениях [42, 51, 52, 61, 90].
Границы береговой зоны определяются по морфологическим и динамическим признакам. Верхней морфологической границей береговой зоны служат формы рельефа, созданные прибойным потоком при его взаимодействии с сушей. Динамически верхняя граница береговой зоны определяется по высшей точке линии проникновения массы движущейся воды на отрезок суши, расположенный выше уреза воды (верхняя граница наката волн). Нижняя граница береговой зоны определяется способностью штормового волнения однонаправленно перемещать донные наносы и соответствует глубине, равной примерно половине длины максимальной штормовой волны. В зависимости от волновых условий она лежит на глубинах от 15 до 100 м. На нижней границе береговой зоны рельефообразующий эффект динамических факторов практически не проявляется (за исключением действия приливо-отливных течений).
Сложность и случайный характер природных процессов в прибрежной зоне значительно затрудняют их детальное математическое описание. Поэтому наиболее приемлемым путем получения практических результатов при прогнозировании береговых процессов является идеализация в физически допустимых пределах механизма взаимодействия различных природных факторов. Это означает выделение основных из них, и отбрасывание второстепенных. Согласно современным теоретическим воззрениям, динамику берегов бесприливных морей, включая галечные пляжи, обусловливают следующие гидродинамические факторы: волновые процессы, колебания уровня моря и течения различных типов, главным образом это вдольбереговое энергетическое течение [24, 42, 50, 54, 61, 90, 94].
Единым процессом, объединяющим все виды механического движения вещества в прибрежной зоне, является трансформация энергии гидродинамических факторов при ее взаимодействии с поверхностью литосферы.
В результате работы водных масс, в береговой зоне происходит изменение рельефа подстилающей поверхности, направленное к снижению интенсивности гидролитодинамических процессов и созданию условий для более полного перехода механической энергии в тепловую при наименьшей мощности совершаемой при этом работы.
В связи с этим, универсальным законом развития прибрежной зоны моря является ее стремление к динамически равновесному состоянию по отношению к действующим силам.
Поток энергии волн, входящих в береговую зону из открытого моря, как правило, под некоторым углом, обычно представляется двумя составляющими: нормальной к берегу и продольной. В соответствии с этим, перенос твердого материала в береговой зоне рассматривается в двух направлениях: поперечном и вдольбереговом. При этом нормальная составляющая потока волновой энергии определяет формирование профиля динамического равновесия подводного берегового склона, а вдольбереговая - развитие равновесной береговой линии. В целом, соотношение составляющих потока волновой энергии в зависимости от представления во времени и в пространстве, определяет все многообразие природных береговых форм.
Основными типами течений в прибрежной зоне бесприливных морей являются дрейфовые (ветровые), волновые (мгновенные, переносные и вдольбереговое энергетическое течение), градиентные, возникающие в результате неравномерного нагона воды вдоль берега. Все эти типы течений образуют сложную суммарную вертикальную и горизонтальную циркуляцию. При этом согласно современным теоретическим представлениям, течения не волновой природы не оказывают существенного влияния на динамику галечных пляжей [21, 24, 42, 51, 54, 60, 90, 94].
Следующим важным фактором, определяющим динамику берегов, является уровень водной поверхности. С его штормовой, сезонной, годовой и межгодовой изменчивостью тесно связаны масштабы и границы распространения абразионных или аккумулятивных процессов. При этом следует учитывать взаимосвязь крутизны подводного берегового склона и формирующегося под воздействием штормового волнения и ветра повышения уровня (штормового нагона).
Еще одним природным фактором, оказывающим решающее влияние на динамику берегов, является их геолого-геоморфологическое строение. Однако из всего многообразия характеристик этого фактора основными являются физико-химические свойства и гранулометрический состав пород, слагающих береговой склон.
В соответствии с [82, 95] к галечным (гравийно-галечным) относятся пляжи, содержащие в поверхностном подвижном слое не менее 65-70 % не взвешиваемых фракций наносов со средней крупностью пляжеобразующего материала 2 мм и более.
Взаимодействие волн, волновых и ветровых течений при определенном уровне моря образуют сложную гидродинамическую картину циркуляции воды в прибрежной зоне моря. Воздействие этой циркуляции на породы, слагающие береговой склон, вызывает формирование вдольбереговых и поперечных потоков наносов.
Трансформация волн в прибрежной зоне
Коэффициент дифракции волн kdif ,b для акватории, огражденной волноломом согласно [94], должен определяться по формуле: kdif,b = ((kdif,s1)2 + (kdif, s2)2)0.5 (2.24) где k dif ,s1 и k dif ,s2 - коэффициенты дифракции волн, определяемые для головных участков волнолома согласно (2.18), (2.19)
Распространение волн в островных гаванях и на акваториях искусственных островных комплексов (ИОК), защищенных волноломами сложной конфигурации не может быть выполнено по нормативным методам.
Поэтому в данной работе предложена методика расчета волн с учетом явлений дифракции, рефракции и отражения от островного сооружения сложной конфигурации, являющаяся модификацией методики, изложенной в работе [59]. В данном разделе приведены основные положения этой методики.
Если сооружение состоит из волноломов, не сходящихся внутрь акватории острова (рис. 2.7), то расчет ведется как для обычного волнолома, но с учетом отражения волн от границ акватории. Тогда коэффициент дифракции kdif,i и высота дифрагированных волн hdif,i в i расчетной точке акватории гавани определяются по формулам: 2
Коэффициенты дифракции прямой волны определяются по формулам: где X - длина исходной волны, фл(п) - углы между осью волнолома (левого или правого) и направлением исходного волнения; 3Л(П) - углы между направлением исходной волны и направлением на расчетную точку акватории от головы левого или правого волноломов в радианах; гл(п) расстояния от расчетной точки до головы левого или правого волноломов. Приал(п) 0,кадпр л(п) = 1. отражающей поверхности, определяемые по табл. 2.2, /сге/ („) -коэффициент отражения, принимаемый по табл. 2.3, при угле наклона отражающей поверхности к горизонту более 450 следует принимать коэффициент отражения /сге/ („) = 1.0, г1л(-„) расстояния от точек отражения до расчетной точки акватории, 0л(й) - угол между фронтом волны и отражающей поверхностью.
Если волноломы порта сходятся внутрь порта (рис. 2.8), то расчет дифрагированных волн выполняется в три этапа: Погрforpji Волнолом 1 (основной] і І Фронт и лун исходной волны ho (высота волны), Lo (цліиа волны), То (период волны) Ао (азимут луча волны) 0 1 Расчетная точка акватории О Лотр Точка отражения волн от границы акватории Котр.л Коэффициент отражения от границы акватории Рис. 2.8. Схема конфигурации оградительных сооружений островной гавани с волноломами, сходящимися внутрь гавани
В каждой расчетной точке акватории острова направления волн считаются идущими от голов волноломов в соответствии с принципом Гюйгенса. Полученные по формулам (2.28), (2.29) высоты волн корректируются для учета рефракции и трансформации по формуле (2.6). При наличии островного пляжа, определяются высоты обрушающихся волн по формулам (2.13), (2.15).
Приведенные модели при участии автора реализованы в специальном программном комплексе. На рис. 2.9 – 2.12 приведены примеры расчетов. Рис. 2.9. Поле высот волн при наличии одиночного мола (буны)
Поле высот волн при наличии волнолома Рис. 2.11. Поле высот волн при наличии сходящихся молов (акватория искусственного мыса)
Поле высот волн на акватории островного комплекса Таким образом, разработан программный комплекс, позволяющий определять параметры волн в прибрежной зоне при наличии таких пляжеудерживающих сооружений как буны и волноломы, а также на акваториях искусственных мысов (сходящиеся молы).
Разработана и реализована в программном комплексе модель дифракции волн на акваториях искусственных островных комплексов при оградительных сооружениях сложной конфигурации. На рис. 2.13 показан управляющий интерфейс программы расчета дифракции волн на защищенных акваториях.
Управляющий интерфейс программы расчета дифракции волн на огражденных акваториях Все разработанные модели учитывают эффекты дифракции, рефракции и отражения волн, затухание от трения о дно, а также позволяют рассчитать параметры волн при обрушении. 2.4. Волновые течения
Волновыми называются течения, обусловленные наличием волновых колебаний в водоемах. Волновые течения могут быть разделены на мгновенные - движение частиц жидкости по волновым орбитам и переносные - обусловленные не замкнутостью волновых орбит [60, 61].
Переносные течения вызывают перенос водных масс и, соответственно, различных загрязнений и наносов. Мгновенные течения вызывают взвешивание частиц наносов и поэтому весьма важны для прогноза мутности воды в прибрежной зоне и деформаций дна в случае песчаных или илистых грунтов.
Волновые течения в мелководной зоне (до обрушения волн) сильно отличаются от течений в прибойной зоне. Кроме того, традиционно принято разделять в прибрежной зоне вертикальную и горизонтальную циркуляцию и вдольбереговое энергетическое течение. Ниже рассмотрим основные инженерные методы расчета волновых течений в прибрежной зоне моря.
Мгновенные волновые течения обычно с достаточной точностью описываются линейными решениями теории волн малой амплитуды. При этом горизонтальная U и вертикальная W компоненты скорости определяются следующими соотношениями [39].
Вдольбереговое энергетическое течение возникает в результате косого подхода волн к берегу и обусловлено трансформацией их энергии в прибрежной зоне. Трансформация волновой энергии максимальна в зоне обрушения, поэтому и скорость энергетического течения здесь максимальна. Наибольшее распространение для расчета энергетического течения получила теория Лонге-Хиггинса. В этой теории донное трение с учетом турбулентной диффузии определяется параметром где: X - относительное расстояние от линии первого обрушения значимой (13 % обеспеченности в системе) высоты волны расчетного шторма до уреза воды с учетом волнового нагона. Значения X принимают последовательно величины 1/Z, 2/Z, 3/Z,...,Z/Z, где Z - количество участков принятой ширины, на которое разбивается подводный береговой склон при расчете вдольберегового расхода наносов через заданный створ.
Калибровка математических моделей береговых пляжей по данным гидравлического моделирования
Пляжная зона является фактически наиболее значимым рекреационным ресурсом города-курорта Сочи. Поэтому задача сохранения, восстановления и развития береговой пляжной зоны является важнейшим вопросом для города-курорта.
Комплексная берегозащита побережья города от порта Сочи до цирка – Приморская набережная, включающая террасирование склонов, подпорные стены, набережную, буны, волноломы и искусственно отсыпанные в межбунные отсеки пляжи, является классической для условий приглубого побережья с тяжелыми волновыми условиями и острым дефицитом естественного поступления наносов. Эта комплексная система берегозащиты пока не имеет аналогов в мире [62 - 64].
Однако существующая набережная уже не отвечает современным требования по дизайну, эстетике и рекреационным качествам. В связи с этим было принято решение в рамках подготовки к Зимней Олимпиаде 2014 г. осуществить коренную реконструкцию Приморской набережной в Центральном районе г. Сочи.
Проектный участок берега - ул. Приморская (Приморская набережная) расположен в Центральном районе г. Сочи между Южным молом порта Сочи и проспектом Пушкина (городской набережной в районе цирка) -рис. 4.1. Рис. 4.1. Спутниковый снимок проектного участка побережья
Длина участка - порядка 2.2 км. Генеральный азимут береговой линии проектного участка 3060, азимут нормали к линии берега 2160.
Проектируемая реконструкция ул. Приморской (Приморской набережной), предполагает выдвижение в море искусственной территории на 35 – 75 м, включая устройство новой набережной шириной порядка 30 -35 м с созданием нового волногасящего и рекреационного пляжа шириной не менее 30 - 40 м.
С морской стороны набережной предполагается устройство новой волнозащитной стены либо традиционного криволинейного, либо откосно-ступенчатого профиля. В западной части участка, примыкающей к Южному молу порта Сочи создается искусственная территория для размещения инвестиционных объектов, связанных с реконструкцией порта Сочи.
В качестве основного варианта пляжеудерживающих сооружений предполагается строительство бун длиной порядка 135 - 140 м (считая от новой волнозащитной стены). Расстояние между бунами – 290 - 580 м. В головных частях бун устраиваются круговые площадки диаметром 30 м, которые защищаются от волнения наброской фигурных блоков. Вся реконструируемая полоса берега делится на 5 участков, разделяемых бунами. Буны предполагается расположить таким образом, чтобы они образовали отдельные литодинамические ячейки (участки). При этом должен быть исключен перенос пляжеобразующего материала из одного участка в другой.
Для обеспечения устойчивости вновь создаваемых пляжей в образуемых межбунных отсеках предполагается строительство волноломов из наброски фигурных блоков (тетраподов), предположительно по два волнолома в каждом межбунном отсеке. Расстояние волноломов от берега таково, что они оказываются вне зоны купания. Поэтому их строительство не противоречит нормативным документам.
Как варианты пляжеудерживающих сооружений рассматривались также традиционная система бун и вариант бухтовых пляжей с искусственными мысами.
При обосновании проекта принималась во внимание предполагаемая коренная реконструкция порта Сочи с превращением его в гавань для крупных круизных судов путем строительства нового оградительного мола длиной порядка 2 км, выносом грузового района за пределы порта и созданием новой береговой инженерной инфраструктуры – рис. 4.2.
Как видно из рис. 4.2, новые оградительные сооружения порта Сочи фактически блокируют воздействия от штормов ЮЮЗ – З направлений на западный участок Приморской набережной. Рис. 4.2. Генеральный план реконструкции порта Сочи. 1 – новый оградительный мол; 2 – новый волнолом; 3 – существующие (старые) молы, которые из внешних становятся внутренними; 4 – берегоукрепление новой искусственной территории; 5 – новые причалы для круизных судов; 6 – акватория существующего порта, преобразуемая в яхтную гавань; 7 – новая и существующая шпоры; 8 – волногасители из тетраподов на внешней стороне нового оградительного мола
Научное обоснование гидротехнической части проекта реконструкции Приморской набережной заключалось в оценке физико-географического положения побережья, гидро- и литодинамических характеристик берега и разработке рекомендаций для проектирования волнозащитных и пляжеудерживающих сооружений. При этом (при участии автора) были решены следующие задачи: 1. Расчет элементов волн в системе штормов повторяемостью 1 раз за 50 лет от всех волноопасных направлений на глубокой воде. 2. Моделирование рефракции и трансформации волн в прибрежной мелководной и прибойной зонах моря в районе реконструируемых сооружений. 3. Расчет среднемноголетней розы волнений. 4. Определение расчетных уровней моря. 5. Моделирование среднемноголетнего и штормового вдольберегового транспорта наносов. 6. Моделирование динамики пляжа с учетом его выдвижения в море и влияния проектируемых пляжеудерживающих сооружений. 7. Моделирование взаимодействия волн с сооружениями с определением нагрузок и воздействий волн. При этом рассмотрены два варианта волнозащитной стены: традиционного криволинейного профиля и откосно-ступенчатого типа. 8. Расчет требуемых объемов отсыпки пляжеобразующего материала при реконструкции пляжа. При моделировании динамики пляжей на западном участке реконструкции (от южного мола порта Сочи до гостиницы Приморской) проектные волноломы имели длину по 100 м.
Отметка гребней волноломов задавалась равной +1.0 м БС (возвышение на 0.93 м от расчетного уровня +0.07 м БС), ширина волноломов по верху задавалась равной 7 м. Пористость наброски волноломов принималась равной 0.5 (тетраподы).
Поскольку расчетная емкость противоположно направленных штормовых вдольбереговых потоков наносов в расчетных штормах от южных и западных румбов почти одинаковая, вначале волноломы располагались параллельно береговой линии симметрично относительно межбунных отсеков. Коэффициенты отражения и прохождения волн через волноломы в зависимости от их размеров и пористости рассчитываются программой автоматически по методике, изложенной в [61].
Результаты расчетов динамики пляжей в ПК «REBL» при предложенной конфигурации бун и волноломов для западного проектного участка при прохождении расчетных штормов от южного и западного направлений без учета строительства нового оградительного мола порта Сочи, представлены на рис. 4.3, 4.4 [70, 73] (калибровочные коэффициенты Кг = 1.0).
Традиционная система относительно коротких бун для реконструкции Приморской набережной
Сопоставление результатов гидравлического (рис. 4.30 – 4.32) и математического (рис. 4.36 – 4.38) моделирования (после подбора калибровочного коэффициента) показывает, что разработанная модель динамики пляжей на островных комплексах удовлетворительно соответствует данным физических экспериментов и может быть использована для прогноза переформирования пляжей ИОК и оптимизации их пляжеудерживающих сооружений. Выводы по главе 4 По главе 4 могут быть сделаны следующие выводы.
1. В рамках подготовки к Зимней Олимпиаде 2014 г. в г. Сочи была запроектирована реконструкция Приморской набережной в Центральном районе.
2. В качестве основного варианта пляжеудерживающих сооружений предполагается строительство бун длиной порядка 135 - 140 м (считая от новой волнозащитной стены). Расстояние между бунами – 290 - 580 м. В головных частях бун устраиваются круговые площадки диаметром 30 м, которые защищаются от волнения наброской фигурных блоков. Для обеспечения устойчивости вновь создаваемых пляжей в образуемых межбунных отсеках предполагается строительство волноломов из наброски фигурных блоков (тетраподов), предположительно по два волнолома в каждом межбунном отсеке. Расстояние волноломов от берега таково, что они оказываются вне зоны купания. Поэтому их строительство не противоречит нормативным документам.
3. Как варианты пляжеудерживающих сооружений рассматривались также традиционная система бун и вариант бухтовых пляжей с искусственными мысами.
4. Для обоснования указанного проекта было выполнено комплексное математическое и гидравлическое моделирование. При этом использовались математические модели, разработанные автором.
5. По результатам математического моделирования было установлено, что при разнонаправленных вдольбереговых потоках наносов примерно одинаковой емкости, для обеспечения равномерной ширины пляжей в межбунных отсеках с прерывистыми волноломами, волноломы следует располагать не симметрично относительно отсека, а сдвигать их к головам бун.
6. Для проверки предварительных рекомендаций по гидротехническим сооружениям для проекта реконструкции Приморской набережной в г. Сочи, разработанных по результатам математического моделирования, было выполнено гидравлическое моделирование этих сооружений в волновом бассейне НИЦ «Морские берега» (г. Сочи). Моделирование выполнялось в масштабе 1: 50 в полном соответствии с теорией подобия и данными топобатиметрических съемок.
7. По данным этого моделирования выполнена калибровка математической модели динамики галечного пляжа под защитой только бун, бун и волноломов в межбунных отсеках и бун с волноломами в их головных частях. Во всех случаях удалось подобрать калибровочные оэффициенты для математических моделей, использование которых позволяет получить результаты расчетов, удовлетворительно совпадающие с данными гидравлического моделирования. По результатам калибровки, среднее значение калибровочного коэффициента Кг в формуле (3.24) может быть принято равным Кг = 1.09.
8. По данным гидравлического моделирования выполнена калибровка математической модели динамики искусственного галечного пляжа на островном комплексе. Значение калибровочного коэффициента для островного пляжа оказалось равным Кг = 1.12.
9. Сопоставление результатов гидравлического (рис. 4.30 – 4.32) и математического (рис. 4.36 – 4.38) моделирования (после подбора калибровочного коэффициента) показывает, что разработанная модель динамики пляжей на островных комплексах удовлетворительно соответствует данным физических экспериментов и может быть использована для прогноза переформирования пляжей ИОК и оптимизации их пляжеудерживающих сооружений.
Как отмечено в главе 4, для реконструкции Приморской набережной в г. Сочи рассматривались три варианта компоновки пляжеудерживающих сооружений: - сочетание длинных бун и волноломов; - традиционная система относительно коротких бун; - система искусственных мысов с волноломами.
При этом всю набережную можно условно разделить на 2 участка – западный (от Южного мола порта до гостиницы Приморская) и восточный (от гостиницы Приморская до проспекта Пушкина, или цирка).
В качестве исходных данных по волновому режиму использовались элементы волн, полученные по результатам расчетов и представленные в табл. 5.1.
Результаты математического моделирования системы бун с волноломами для западного участка Приморской набережной приведены в главе 4. Эти предварительные результаты были, в общем, подтверждены данными гидравлического моделирования на пространственной модели. По результатам гидравлического моделирования математическая модель динамики галечного пляжа была откалибрована путем введения в формулу для расчета динамики береговой линии (3.24) калибровочного коэффициента Кг = 1.09.
Далее по откалиброванной математической модели были выполнены расчеты динамики пляжа с бунами и волноломами для восточного участка Приморской набережной.
Моделирование динамики пляжей на восточном участке выполнено при несимметричном расположении волноломов согласно результатам, полученным для западного участка. Поскольку пляж на западной стороне восточного участка имеет длину 210 м, на этом участке предлагается один волнолом длиной 100 м.
Длину буны, ограничивающую отсек с кафе «Плотформа», предложено принять равной 100 м. На крайнем восточном участке длиной 350 м, длину двух волноломов предложено принять равной по 80 м. Результаты математического моделирования представлены на рис. 5.1 – 5.4.
