Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления о динамике берегов бесприливных морей 11
1.1 Основные природные факторы 11
1.2 Гидродинамика прибрежной зоны 13
1.3 Методы расчета транспорта наносов в прибрежной зоне 22
1.4 Математические модели динамики берегов 27
1.5 Экспериментальные исследования динамики берегов за продольным гидротехническим сооружением 32
2. Экспресс-методика расчета поля высот волн, деформации дна и линии берега в зоне влияния продольных гидротехнических сооружений 41
2.1 Исходные данные и порядок расчета 41
2.2 Расчет поля высот волн 48
2.3 Расчет обрушения волн и поля высот волн для прибойной зоны 51
2.4 Расчет транспорта наносов, деформации дна прибрежной зоны и линии берега 52
2.5 Алгоритм расчета поля высот волн, деформации дна и линии берега в зоне влияния продольных гидротехнических сооружений 58
3. Численное моделирование и сравнительный анализ математических моделей, описывающих литодинамику прибрежной зоны 67
3.1 Цифровая модель местности и исходные данные 67
3.2 Численное моделирование литодинамики прибрежной зоны за одиночным островом и калибровка модели 72
3.3 Сравнительный анализ математических моделей И.И. Леви и ЦНИИСа, для определения расхода галечных наносов 83
4. Рекомендации к расчету, ограничения применения и использование предлагаемой экспресс-методики 140
4.1 Рекомендации к расчету и ограничения применения 140
4.1 Программный комплекс «Gidrotehnika» гидро- и литодинамики прибрежной зоны за продольными гидротехническими сооружениями 142
4.3 Моделирование прерывистого волнолома 146
Заключение 158
Литература 160
Приложение 168
- Экспериментальные исследования динамики берегов за продольным гидротехническим сооружением
- Расчет транспорта наносов, деформации дна прибрежной зоны и линии берега
- Численное моделирование литодинамики прибрежной зоны за одиночным островом и калибровка модели
- Программный комплекс «Gidrotehnika» гидро- и литодинамики прибрежной зоны за продольными гидротехническими сооружениями
Экспериментальные исследования динамики берегов за продольным гидротехническим сооружением
Методики гидравлического моделирования прибрежной зоны моря. Проведение исследований на гидравлических моделях обусловлено недостаточной изученностью и большой сложностью явлений, имеющих место в процессе трансформации, рефракции и дифракции волн на подводном береговом склоне при строительстве различных гидротехнических сооружений вблизи берега и при взаимодействии штормовых волн с наносами [39].
Приведем основные положения методики гидравлического моделирования гидро- и литодинамических процессов в прибрежной зоне, применяемой в Черноморском отделении ЦНИИС [48] и, соответственно экспериментальных данных [39], приводимых в данной работе. В основу методики экспериментальных исследований положен принцип сопоставимости получаемых данных, обеспечиваемый проведением экспериментов при одинаковых начальных и граничных условиях. Этот принцип позволяет исключить из рассмотрения влияние таких факторов, которые невозможно по различным причинам достаточно точно смоделировать. Для повышения достоверности инструментально измеряемых абсолютных значений параметров штормовых волн и характеристик движения наносов, моделирование производится в возможно крупном масштабе (обычно 1:20 -1:50). Моделирование выполняется в волновых бассейнах (большой бассейн, глубоководный бассейн, средний бассейн) и лотках, оснащенных системами волнопродукторов, управляющими и измерительными системами. Измерения параметров волн осуществляются 10-ти канальными емкостными волнографами повышенной точности с записью реализаций на ленту самописца Н338-6П и в память ЭВМ. Высотные отметки гидротехнических сооружений и пляжа измеряются при помощи нивелира 2Н-10КЛ. Объемы пляжевого материала, выносимого за пределы моделей, а также пляжей, сформировавшихся непосредственно на моделируемых участках берега, определяются путем взвешивания наносов с использованием подвешенного на тельфере монорельсовой дороги динамометра ДПУ-02-2 и наносоуловителя [48]. Методика гидравлического моделирования основывается на главных положениях теории подобия, которая и позволяет судить о том, при каких условиях процессы, наблюдаемые на моделях, будут подобны процессам, протекающим в натуре. При рассмотрении физического подобия в гидравлических задачах, можно выделить геометрическое, кинематическое и динамическое подобие [48,60]. Условие геометрического подобия требует, чтобы отношения между размерами на модели и в натуре были одинаковы (отношение высоты волны к ее длине). Условие кинематического подобия выполняется, если равны отношения скоростей всех соответствующих частиц на модели и в натуре (отношение горизонтальной и вертикальной составляющих скорости частиц в волне). Динамическое подобие выполняется, если выполнено кинематическое подобие, соотношение масс частиц, участвующих в движении одинаково и отношения сил, действующих на частицы тоже одинаково. Модель подобна натуре, если в натуре и на модели причины одного и того же физического характера вызывают относительно равные реакции. Исследуемые процессы на модели и в натуре описываются одними и теми же физическими законами, кроме того, решения определяются одними и теми же краевыми условиями. Поэтому, безразмерные величины в уравнениях для модели и для натуры должны быть одинаковы. Математические условия подобия выполняют для основных сил, действующих в гидравлических процессах, а именно - сил тяжести, вязкости, поверхностного натяжения и упругости. Для пересчета экспериментальных данных в натуру их следует умножить на следующие масштабные коэффициенты [48]: - линейные размеры на М; - объемные величины и массу на А/3: - время и скорость на Л/ 5, - расход наносов на М1,5, где М- знаменатель масштаба модели. Гидравлическое моделирование одиночного острова. Экспериментальные исследования осуществляются путем сравнительного изучения гидро- и литодинамики прибрежной зоны рассматриваемых участков берега при естественном рельефе дна и при определенным образом измененном рельефе путем устройства острова-волнолома. При этом учитываются характерные гидро- и литодинамические особенности рассматриваемых участков берега по результатам исследований в натурных условиях. Исследования проводились при регулярном двухмерном волнении. При этом учитывается, что по мере распространения нерегулярных трехмерных волн на мелководье они перестраиваются в двухмерные, а разнообразие высот волн в системе существенно уменьшается, что позволяет волны в прибрежной зоне рассматривать в первом приближении как регулярные двухмерные. Моделирование влияния острова-волнолома на гидро- и литодинамические явления в прибрежной зоне моря осуществляется по главной действующей силе, определяющей их физическую природу [39].
В Черноморском отделении морских берегозащитных сооружений ВНИИ Транспортного строительства были выполнены специальные исследования на пространственной гидравлической модели динамики берега в зоне влияния островного комплекса [39].
Экспериментальные исследования выполнены для аккумулятивного участка берега в устье р. Псезуапсе в районе пос. Лазаревское г. Сочи. Берег в устье реки Псезуапсе в пос. Лазаревское в г. Сочи находится в динамическом равновесии. Здесь объем размыва пляжа полностью компенсируется поступлением наносов из реки и со смежного участка берега.
Экспериментальные исследования выполнялись при масштабе моделирования М=1:50 на размываемой пространственной модели рассматриваемого участка берега, построенной в глубоководном волновом бассейне
Волновой бассейн размером 32x25 м2 оснащен передвижными волнопродукторами, обеспечивающими возможность изменять направление подхода волн к берегу и к модели острова. Управление и контроль за работой волнопродукторов осуществлялось из специально оборудованной операторской. Для заполнения водой бассейна использовалась система оборотного водоснабжения. Работы по строительству моделей на бассейне механизированы - применялись монорельсовая дорога, автопогрузчики и др.
Расчет транспорта наносов, деформации дна прибрежной зоны и линии берега
В ПК «Gidrotehnika» результаты расчетов можно сохранить в виде текстовых файлов-отчетов для значений удельных расходов наносов, градиентов расходов наносов, значений высот волн в расчетных точках, элементов волн и расстояний до линий первого и последнего обрушения волн.
С помощью данной программы батиметрический план и продольные разрезы соответствующей ЦММ можно сохранить в формате DXF-файла для последующего редактирования в программе AutoCAD. Для этого необходимо в программе AutoCAD открыть DXF - файл, сохранить его с расширением dwg и вставить в виде блока в новый файл.
Разработанную методику для одиночного острова или волнолома можно использовать и для группы искусственных островов или волноломов. При этом должно соблюдаться условие: расстояния между соседними сооружениями больше длин сооружений - волновые тени от соседних сооружений не должны пересекаться. По разработанной методике расчета было произведено численное моделирование для берегозащитных мероприятий в г. Махачкале.
Береговая линия г. Махачкалы имеет протяженность около 28 км. Некогда аккумулятивный на этом отрезке берег, в настоящее время подвержен размыву вследствие дефицита вдольберегового потока наносов и современного подъема уровня.
Аккумулятивные формы на городском пляже сложены песчаным материалом со средней крупностью около 0.5 мм. К югу от Махачкалы вдоль берега протягиваются гряды известняков, прослеживающиеся в море на расстоянии 30-50 м от уреза воды. Поверхность террасы сложена в основании сарматскими известняками, перекрытыми сверху маломощным слоем песчано-ракушечных осадков. В целом весь берег здесь испытывает дефицит наносов и размывается. Средний уклон подводного берегового склона в районе городского пляжа г. Махачкалы составляет 0.0625, распространение песчаных наносов по подводному береговому склону отмечается до глубины 4.0 м.
Бегозащитные мероприятия в г. Махачкале проводились на 5 участках. На первом участке длиной 1800 м проектируется галечный пляж (Рис. 4.3.1).
Существующий и проектный профили показаны на рис. 4.3.2. Проектируемый пляж имеет уклон 0.02 и имеет ширину надводной части 50 м. Диаметр наносов dso — 30 мм. Для защиты отсыпанного пляжа предполагается использование прерывистого волнолома. Длина отдельного волнолома 200 м. Расстояние между волноломами 250 м (Рис. 4.3.3). Волноломы располагаются на глубине 4м на расстоянии 200 м от уреза воды. Численное моделирование производилось для оценки динамики галечного пляжа за прерывистым волноломом. Параметры ЦММ (Рис. 4.3.3.) были приняты следующие: количество узлов по осям X - Afr=78; количество узлов по оси Y - Ny=20; шаги сетки по осям Хи Y соответственно dx = 25 м и dy - 25 м; азимут оси ОХ составлял 356. Продолжительность волнения составила 36 часов. В качестве расчетных использовались элементы волн 30% обеспеченности (Таблицы 4.3.1-4.3.1). Результаты численных моделирований в начале и в конце моделирования показаны на рис. 4.3.3-4.3.6 и в таблицах 4.3. - 4.3. . Из приведенных результатов расчетов следует, что карьерный материал динамически устойчив в пределах защищаемого участка берега. По результатам моделирования разработан рабочий проект.
Численное моделирование литодинамики прибрежной зоны за одиночным островом и калибровка модели
В водоемах различают четыре зоны волнения, которое зависит от глубины [13]: 1. Глубоководная, с глубиной d Х/2, где дно водоема практически не влияет на параметры волн, волны в этой зоне называют глубоководными. 2. Мелководная, с глубиной А/2 d dcr, где дно водоема оказывает влияние на развитие волн и основные параметры, волны в этой зоне называются мелководными. 3. Прибойная, с глубиной от dcr до уреза воды, в пределах которой начинается и завершается разрушение волн. 4. Приурезовая, в пределах которой поток от разрушенных волн периодически накатывается на берег. Движение воды в береговой зоне моря определяется внешними силами и проявляется в виде приливных течений, волн зыби и ветровых волн, различного типа течений, генерируемых в зоне разрушения поверхностных волн. Повторяемость этих явлений в природе и их взаимодействие на подводный склон различны. В большинстве случаев динамические процессы береговой зоны моря определяют поверхностные волны и волны зыби, поле скорости которых оказывает непосредственное воздействие на донные осадки.
Основным источником энергии для формирования волн является ветер. Параметры установившихся волн определяются скоростью ветра, длительностью его действия, длиной разгона и глубиной. Ветровые волны обычно трехмерны и нерегулярны. После затухания ветра либо при выходе из зоны действия ветра волны распространяются в море в виде волн зыби, с приблизительно постоянными периодом и формой.
Скорость распространения волн на глубокой воде зависит от длины волны. При распространении волны разбегаются (диспергируют) - длинные волны обгоняют короткие. Данное явление называется дисперсией. Дисперсия волн проявляется и на мелкой воде. Различают частотную и амшштудную дисперсию.
При распространении волн из открытого моря к берегу они достигают точки, где глубина становится меньше половины длины волны d А/2. С этого момента волны шшуцируют осцшшяционные движения воды около дна, амплитуда которых возрастает по мере распространения на меньшие глубины.
При косом подходе волн начинается их рефракция, в результате которой они стремятся подходить по нормали к изобатам. Одновременно с рефракцией происходит деформация волн - изменение их формы, высоты. При дальнейшей деформации наступает момент, когда волна обрушается, и в процессе диссипации энергии формируются движения воды, определяющие интенсивность и направление транспорта наносов в прибойной зоне. Различают следующие виды течений в прибрежной зоне моря: дрейфовые, или ветровые, волновые, градиентные, суммарные. Далее рассмотрим каждый вид течения в отдельности. Дрейфовыми, или ветровыми называются установившиеся течения, вызванные воздействием ветра постоянной силы и направления на водную поверхность; при этом на частицу жидкости действует тангенциальная сила трения ветра, отклоняющая сила вращения Земли (горизонтальная составляющая силы Кориолиса) и сила внутреннего трения. В соответствии с методикой, основанной на теоретических разработках Экмана поверхностная скорость дрейфового течения определяется по формуле [50,51]: где kw - эмпирический ветровой коэффициент, W - скорость ветра, (р - широта места. Числовое значение коэффициента kw получают как среднее арифметическое из большого количества результатов проведенных в натуре синхронных измерений скоростей ветра и течения. Коэффициент kw зависит от глубины водоема, направления ветра относительно линии берега, наличия волн и шероховатости дна. Помимо скорости, важной характеристикой течения является его направление. Угол отклонения поверхностного течения от направления ветра зависит от направления ветра по отношению к берегу и глубины моря. Угол отклонения изменяется от 0 до 53 градусов, причем как вправо, так и влево от вектора скорости ветра. На поверхности глубокого моря вектор скорости течения отклоняется от направления ветра на угол 45 вправо в Северном полушарии и влево - в Южном. По мере проникновения течения в глубину, происходит разворот направления течения вправо и уменьшение его скорости. На глубине предельного проникновения ветрового течения, течение направлено противоположно направлению поверхностного течения. При этом скорость составляет примерно 1/23 от скорости поверхностного течения [29].
В прибрежной мелководной зоне влияние силы Кориолиса на направление течений пренебрежимо мало, однако значительным оказывается действие донного трения и параметров волн. В прибрежной зоне направление установившегося течения практически одинаково по глубине.
Программный комплекс «Gidrotehnika» гидро- и литодинамики прибрежной зоны за продольными гидротехническими сооружениями
Развитие характерных форм береговой зоны происходит путем сложного обмена веществом (наносами) в пределах отдельных пространственных комплексов различного масштаба и протяженности. В основе обмена лежат циркуляционные процессы, проявляющиеся в виде замкнутых или незамкнутых круговоротов вещества и массы. Разомкнутость круговоротов принципиально важна для взаимодействия явлений в береговой зоне. Можно утверждать, что развитие береговой зоны происходит путем накопления вещества и его дифференциации.
Малая циркуляция вещества характеризует миграцию наносов в береговой зоне в течение одного шторма или серии штормов (например - осенне-зимних) и состоит преимущественно из поперечного перемещения наносов по профилю подводного склона. Реализация малого круговорота требует соблюдения условий замыкания баланса наносов на протяжении шторма. Поэтому обычно при затухании шторма наносы стремятся возвратиться в исходное положение на профиле. Исключением из этого является свал наносов на большие глубины или в подводные каньоны.
В отличие от поперечного, продольное перемещение наносов не образует замкнутого круговорота, так как происходит однонаправленное перемещение наносов вдоль берега. Такое перемещение условно можно назвать большим круговоротом. Оно зависит от волновых условий и экспозиции отдельных участков берега и определяет процесс пространственного развития береговой линии. Значительное влияние на вдольбереговое перемещение наносов оказывают техногенные воздействия. В этой работе рассматривается только продольное перемещение наносов.
Под влекомыми наносами обычно понимаются наносы, перемещающиеся вдоль дна путем качения или сальтации. Однако, в водных потоках качение в чистом виде наблюдается только при движении сферических частиц по гладкой поверхности. На шероховатой поверхности дна, сложенной несвязным зернистым материалом, влечение осуществляется обычно путем сальтации, т.е. последовательных отскоков зерен от выступов шероховатости. Оказавшись в потоке, твердая частица получает от движущейся жидкости некоторый импульс в горизонтальном направлении. Сила тяжести заставляет зерно опускаться вниз. При упругом соударении с дном импульс частицы приобретает вертикальную составляющую, направленную вверх, и частица поднимается в поток (Высота подъема зависит от диаметра частицы и возрастает с увеличением скорости течения). Конечной целью моделирования гидро- и литодинамических процессов в прибрежной зоне моря является прогноз деформаций дна и береговой линии. Основой для моделирования деформации дна и береговой линии является уравнение сохранения массы вещества [29]: - полные расходы наносов, направленные вдоль и поперек берега; п - пористость наносов; х,у - оси координат, направленные соответственно вдоль берега и в море . Использование приведенного уравнения требует знания составляющих расхода наносов отдельно в поперечном к берегу и продольном направлениях. Кроме того, эти расходы необходимо знать в заданном масштабе времени: для прогноза многолетних деформаций - среднемноголетние расходы, для штормовых деформаций - штормовые расходы наносов. Начальными условиями для расчета транспорта наносов являются исходный рельеф дна, тип и конфигурация гидротехнических сооружений в прибрежной зоне, средний диаметр наносов. Граничными условиями являются поле течений и параметров волн. В настоящее время известно множество подходов к исследованию перемещения наносов под действием гидродинамических факторов. Самую многочисленную группу составляют работы, в которых значение расхода, усредненного по поперечному сечению прибойной зоны, принимается пропорциональным либо безразмерным комбинациям из параметров волн, уклона дна, состава донных осадков, либо вдольбереговому потоку энергии волн, рассчитываемому по параметрам волн на линии разрушения. Все эти зависимости в той или иной степени теоретико-эмпирические. Все они сводятся к виду [29]: где Qs - расход потока наносов, hcr - высота волны (обычно принимается волна 30% обеспеченности в системе для галечных наносов и 10% обеспеченности для песчаных наносов) на линии первого обрушения, dcr - глубина обрушения, dso -средний диаметр наносов, асг - угол между направлением луча волны и нормалью к изобате на линии обрушения, tg(p0 - уклон профиля динамического равновесия. Рассмотрим наиболее часто используемые и перспективные из формул расчета вдольберегового транспорта наносов в прибрежной зоне. Формула Исследовательского центра прибрежной гидротехники США (Shore Protektion Manual, 1973) для определения полного вдольберегового расхода наносов [9].
