Введение к работе
Актуальность проблемы. Взаимодействие поверхностных ноли с течениями встречается как в морской гидравлике, в частности ь гидравлике береговой зоны моря, так и в речной гидравлике.
По-видимому, одной из первых прикладных задач, стимулировавших. исследования волн на течении, является задача прогноза волнового режима на шельфе и в береговой зоне приливних морей. Ветровые волны могут непосредственно формироваться в зоне океанского течения, здесь возникает другая задача - развитие ветровых волн на течении. Причем, она может осложняться близостью береговой линии.
Знание элементов волн на течениях необходимо для расчета суммарных нагрузок от волн и течения на расположенные на шельфе и в береговой зоне нефтедобывающие сооружения. Эта задача сохраняет свою актуальность: до настоящего времени в связи, с расширением практики нефтедобычи на шельфе, в том числе на шельфах приливных морей. Кроме того, условия местного размыва при совместном действии волн и течения отличаются от ситуаций, когда эти факторы действуют раздельно.
На устьевом взморье речной поток формирует течение, скорость которого для крупных рек также может достигать нескольких метров в секунду. Процессы, происходящие на устьевых взморьях, играют важную роль в динамике прилегающих участков береговой зоны. Кроме того, различные гидротехнические сооружения могут возводиться на взморье или в устье реки. Речное взморье может быть искусственным, .если речь идет об организации сброса значительных расходов воды в береговой зоне, в частности, сброса воды из охлаждающей системы энергетической станции.
Одним из основных течений в прибойной зоне моря является вдольбереговое течение, формируемое косогодходящими волнами в результате обрушения. Это течение определяет вдольбереговой транспорт наносов, который, как правило, является основным фактором эволюции береговой лшши. Расчеты вдольберегсоых течений и вдольберегового расхода наносов важны при решении задач берегозащиты, заносимости портовых сооружений, прогнозировании
еиолвдии береговой линии. Кроме того,' вдольбереговые течешія могу^ бать одним из важных факторов водообмена для отдельных участков^ береговой зоны. После формирования вдольберегового течения зона, схваченная этим течением, становится областью, где волны распространяются на течении. Прибойная зона является зоной взаимодействия волн с течениями не только вследствии наличия вдольберегового течения, но и других, индуцированных волнами течений.
Практически все названные выше задачи морской гидравлики встречаются и на водохранилищах: определение параметров ветровых волн в области сопряжения водотока .с'магистральными-или концевыми водохранилищами, расчеты волновых; нагрузок и заносимое для водосбросов и водозаборов, расчеты вдольбеэеговых -точений 'на естественных пляках и пологих откосах дамб, переработка берегов, Серогозащита. Для водохранилищ могут возникать и 'спвшфческив задачи, требующие учета взаимодействия волн к течений. Например, прогноз ветровых волн в нижнем бьефе для условий сброса расхода половодья или паводка, когда скорости течения могут достигать нескольких метров в секунду. .'.,..--' . ; „''.
Далее, -проблемы взаимодействия. волн и течений можно сформулировать для крупных водотоков. Для таких водотоков (реки, каналы) могут формироваться ветровые волны высотой I ми более. Эти волны развиваются и распространяются на течениях и влияют на условия судоходства,- условия работы речных портов, шесте 'с течениями воздействуют на аварийные наплавные мосты и мосты-ленты, вызывают местные размывы у мостовых опор и донных трубопроводов. р;ром9 того, в условиях крупных водотоков с разглашаемыми руслам и береговыми откосами, ветровые волны могут существенно влиять но общие и локальные размывы. . '
В соответствии с изложенным, исследование гидравлических характеристик взаимодействия волы . с течениями представляется актуальной провлелой. <
Исследования, результаты которых представлены в
диссертационной работе, выполнялись примерно с 1980 года в
соответствии с общегосударственными проектами, хоздоговорными и
контрактными темами.
Цель и зсйачи рабош. В соответствии с излокеюшм вшио, a также выполненным анализом существующих результатов были определены следующие задачи настоящей работы:
I.Разработка'гидравлических методов расчета развития ветровых волн на течениях.
II.Трансформация волн крупномасштабными точениями, неоднородными в горизонтальной плоскости и имеющими неоднородный по глубине профиль скорости.
III.Фильтрация частотного спектра волн встречным течением вследствие эффекта блокировки.
'IV,Распространение нерегулярных воли на береговом откосе при наличии встречного точения.
" V. Дедуцированные'волнами течения в прибойной зоне, водообмен и качество прибрежных -'вод с учетом взаимодействия волн с
Течениями. : .".'-.-'"'''.. '' . - ' . - .
VI.Рефракция ."„воля течением, неоднородным в поперечном направлении вследствие отражения косоподходящих воли от попутного течения.' ', : '
УП.Вдольбераговой перенос наносов я эволюция неукрепленной и укрепленной береговой линии с"-учетом" взаимодействия волн и ', вдольбе'регового Т0ЧЄІШЯ.
Научная новизна работа. Разработана методика расчета средних высоты и периода ветровых волн, развивающихся но течешш, в том числе в условиях ограничения разгопа береговой лилией.
Получены 'расчетные ' соотнесения' для параметров волн на неоднородных по -глубине течениях. Определены условия и степень влияния неоднородности профиля течения по глубине на волны, в том числе .' на .'- кинематическое условие блокировки волн встречным течением. ,
Предложена и. верифицирована 'специальными лабораторными экспериментами модель фильтрации частотного спектра волн встречным течением.
Рассмотрена рефракция волі сдвиговым в плане течением с
учетом , отражения волн попутным течением. Предложена модель
фильтрации частотного и частотно-паправленного спектра олн такими
точениями.
Разработана математическая модель распространения нерегулярных волн на береговом откосе со встречным течением, включающая модифицированный критерий обрушения волн в таких условиях.
Разработана численная модель волновых течений в береговой зона при наличии сооружений, учитывающая эффекты взаимодействия волн с течениями. .-;.'
Предложен гидравлический метод оценки водообмена и качества вод в береговой зоне при палички сооружений для условий преобладавдего действия индуцированных волнами течений.
Получено выражение для эффективных придонных касательных
напряжений в волнах на течении. На основе использования этой
зависимости показан путь модификации известных формул
вдольберегового транспорта наносов." -
Практическая ценность и реализация результатов равоти. По результатам работы опубликовано 6 рекомендаций, подготовлен раздел рекомендаций по гидравлическому " расчету крупных каналов, разработана 21 программа для компьютера.
Результаты работы использовались при исследованиях, разработке рекомендаций по проектированию различных гидротехнических объектов: морской водосброс "Жижель" в Алжире (заказчик - Московское отделение Тешюэлектропроекта), Рижский торговый порт (Рижское отделение ЛенморНИИпроекта), система автоматизированного проектирования речных гидротехнических сооружений Ленгипроречтранса, берегозащита Черноморского побережья Кавказа и Южного берега Крыма (ЦНИИС, Кавгипротранс, Укрїжгипрокоммунстрой), берегозащита Черноморского побережья Болгарии (Институт Океанологии Болгарской академии наук, няучно-производственная фирма "Геозащита"), водозабор на Ворхне-Арасланском . водохранилище (Уральский Водоканалпроект), нефтедобывающие платформы на шельфе о.Сахалин (СКТБ Ыингазпрома), защита железнодорожного полотна вдоль Кенвальского водохранилища (Кавгипротранс), пневматический волнолом (Болгарский институт гидродинамики судна), берегозащитные сооружения ювшоукраинского гидроузла (Украинское отделение Гидропроекта).
Материалы работы были использованы для чтения учебного курса
"Динамика прибойной зоны" на строительном факультете Среднеевропейского Технического Университета, Анкара, Турция.
Апробация роботи. Результаты исследований докладывались и обсуждались на: Всесоюзном симпозиуме "Численные методы в гидравлике" (Телави, 1980), координационном совещании по гидротехнике (Одесса, 1981), II Всесоюзном съезде океанологов (Севастополь, 1982), Всесоюзном семинаре "Проблемы транспорта наносов в береговой зоне моря" (Тбилиси, 1983), XX Конгрессе МАГИ (Носква. 1983), III, IV республиканских конференциях по прикладной гидромеханике (Киев, 1984, 1987), II, .III Всесоюзных конференциях "Динамика и тормика рек, водохранилищ и эстуариев" (Москва, 1984, 1989), III Всесоюзном симпозиуме по литодинамико океана (Москва, 1985), выездном заседании секции инженерной защиты территорий КТО Госстроя СССР (Сочи, IS8S), Всесоюзных конференциях по морской берегсзещйтв (Сочи, 1982, 1984, 1985, 1938), 17, 18 и 19 сессиях научного и методологического семинара по гидродинамике судна (Варна, Болгария, 1988, 1989, 1990), семинаре по седиментологан Института седаментололш Тьянцзинского Университета (Тьянцзинъ, Китай, ISS0), научно-технической конференции "Современные проблемы берегоукрепительной гидротехники в условиях Болгарского Черноморского побервнья" (Варна, Болгария, 1990), заседаниях секции инженерной гидравлики НТО ВШИ ВОДТЕО (1988-1990, 1994), семинаре строительного факультета Среднеевропейского Технического Университета (Анкара, Турция, 1993), втором совещании ыездународной рвбочей группы проекта НАТО "Волны/Черное море" (Анкара, Турция, 1994), заседания кафедра'гидравлики Московского государственного ингенерно-стронтельного университета (1994).
По томе диссертации опубликованы 2 книги, 46 статей и составлено 17 научно-технических отчетов.
Структура' и объел работа». Структура диссертационной работа соответствует, направлениям н решаемым задачам. Работа состоит из введения, семи глав, заключения (основные еыводы) и списка цитируемой литературы (333 наименования). Диссертация изложена на 351 страницах, в том числе 252 страницы мапшлошсного тег-та.
