Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Существующие методы расчета вдольберегового переноса наносов при наличии поперечных гидротехнических сооружений 11
1.1. Вдольбереговой перенос песчаных и галечных наносов 11
1.1.1. Особенности динамики галечной прибойной зоны 11
1.1.2. Существующие подходы к расчету транспорта песчаных и галечных наносов. Преимущества и недостатки формул, определяющих вдольбереговой расход наносов, основанных на энергетическом подходе 12
1.1.3. Эффекты неоднородности пляжного материала 23
1.2. Типы и конструкции гидротехнических сооружений, влияющих на изменение конфигурации береговой линии 26
1.2.1. Характер взаимодействия вдольберегового потока наносов с поперечными гидротехническими сооружениями 26
1.2.2. Типы и конструкции поперечных гидросооружений 27
1.3. Модели взаимодействия наносов с поперечными гидротехническими сооружениями 38
1.3.1. Кратковременные и долговременные изменения береговой линии, обусловленные береговыми сооружениями 38
1.3.2. Существующие модели переформирования береговой линии в окрестности гидросооружений 40
1.4. Цель и задачи диссертационного исследования 45
ГЛАВА 2. Разработка модели вдольберегового транспорта песчаных и галечных наносов при наличии поперечных гидротехнических сооружений 47
2.1. Модификация формул вдольберегового переноса наносов применительно к условиям галечных и песчаных пляжей с учетом мультифракционности материала 47
2.2. Математическая модель переформирования береговой линии при наличии поперечных гидротехнических сооружений 55
2.2.1. Постановка задачи 55
2.2.2. Численное решение 57
2.2.3. Влияние дифракции волн 59
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования устойчивости пляжа при наличии поперечных гидротехнических сооружений 73
3.1. Цели и задачи экспериментов 73
3.2. Методика экспериментальных исследований 74
3.2.1. Методика гидравлического моделирования 74
3.2.2. Экспериментальная установка 77
3.3. Исследование эволюции береговой линии при наличии поперечных берегозащитных сооружений 78
3.3.1. Исходные данные проведения экспериментов 78
3.3.2. Результаты экспериментальных исследований 82
ГЛАВА 4. Калибровка и верификация модели вдольберегового транспорта песчаных и галечных наносов 97
4.1. Калибровка модели на основе результатов численного моделирования 97
4.2. Калибровка модели на основе сравнения с результатами экспериментальных исследований 104
4.3. Верификация модели на основе сравнения с данными натурных измерений 107
ГЛАВА 5. Результаты расчетов вдольберегового транспорта наносов и переформирования пляжа на объектах черноморского побережья России 111
5.1. Прогнозирование динамики пляжа в окрестности берегозащитных сооружений пансионата ОАО санаторий «Автотранспортник России».. 111
5.1.1. Исходные данные для расчетов 111
5.1.2. Результаты моделирования 114
5.2. Прогнозирование размывов пляжа вблизи оградительных молов проектируемого второго грузового района морского порта Сочи-Псоу 119
5.2.1. Исходные данные для расчетов 119
5.2.2. Результаты моделирования 123
5.3. Прогнозирование размывов пляжа вблизи оградительных молов проектируемого нового грузового района морского порта Сочи-Уч-Дере 129
5.3.1. Исходные данные для расчетов
5.3.2. Результаты моделирования 132
Заключение 136
Список использованной литературы 138
Приложение
- Существующие подходы к расчету транспорта песчаных и галечных наносов. Преимущества и недостатки формул, определяющих вдольбереговой расход наносов, основанных на энергетическом подходе
- Модификация формул вдольберегового переноса наносов применительно к условиям галечных и песчаных пляжей с учетом мультифракционности материала
- Калибровка модели на основе сравнения с результатами экспериментальных исследований
- Прогнозирование размывов пляжа вблизи оградительных молов проектируемого нового грузового района морского порта Сочи-Уч-Дере
Введение к работе
Актуальность темы исследований. В последние годы в Российской Федерации достаточно интенсивно проектируются и строятся морские порты, активно ведется строительство морских трубопроводов, для выхода которых на берег обычно сооружаются поперечные защитные дамбы. Такие сооружения могут приводить к разрушению берегов, так же как оградительные сооружения портов, которые, выходя на значительные глубины, перехватывают вдольбереговой поток наносов.
Существующие исследования перемещения наносов в береговой зоне моря и разработанные на их основе модели и расчетные методы позволяют решать многие инженерные задачи, связанные с транспортом наносов и их взаимодействием с гидротехническими сооружениями. Вместе с тем, остаются вопросы, требующие дополнительных исследований.
а)
б)
С одной стороны, в инженерных расчетах для оценки расходов песчаных и галечных наносов используются различные зависимости, включающие средний или другой репрезентативный диаметр наносов, а с другой - реальные пляжи обычно неоднородны по своему составу. Так, например, приглубые берега Черного моря (побережье Большого Сочи) сложены песчано-гравийно-галечными наносами с диаметрами частиц гравийно-галечных фракций от 1,0 до 50,0 мм. Отмелые берега помимо песчаных наносов с диаметрами частиц примерно от 0,1 до 1,0 мм, могут включать и иловые фракции, и крупные включения, вплоть до валунов. Анализ инженерно-геологических изысканий и экспериментальных исследований также показывают, что материал пляжа в его надводной и подводной частях неравномерно распределяется по поперечному профилю. Это может быть вызвано неоднородным исходным распределением материала пляжа или неоднородным по составу карьерным материалом, используемым для пополнения пляжа, которые при обработке волнением подвергаются сортировке по крупности вдоль поперечного профиля. Такое перераспределение материала характерно как для песчаных, так и для галечных пляжей. На рис. 1 приведены поперечные профили песчаного и галечного пляжей в местности Терсчеллинг (Голландия) и в Имеретинской низменности (г. Сочи, Россия).
Рис. 1. Примеры неоднородного по грансоставу поперечного профиля пляжа
а) галечный пляж (Имеретинская низменность, Сочи);
б) песчаный пляж (Терсчеллинг, Голландия)
Таким образом, если для решения инженерных задач береговой гидравлики, связанных с транспортом наносов, использовать существующие формулы по расчету расхода только песчаных или только галечных наносов, для участка берега, сложенного их смесью, то это может привести к снижению достоверности результатов расчета. Например, в прогнозах взаимодействия перемещаемых наносов в береговой зоне моря с оградительными сооружениями.
Цель работы - развитие метода расчета интегрального вдольберегового потока наносов для обеспечения удовлетворительных прогнозов воздействия поперечных гидротехнических сооружений на прилегающие участки береговой зоны в условиях неоднородных песчаных и галечных пляжей.
В соответствии с поставленной целью и на основе анализа результатов предыдущих исследований в задачи диссертационной работы входило:
1. Разработать модель вдольберегового транспорта неоднородных по составу наносов применительно к условиям галечных и песчаных пляжей.
2. Калибровать и верифицировать разработанную модель вдольбере-гового транспорта неоднородных наносов на основе результатов численного моделирования, данных натурных и лабораторных опытов.
3. Исследовать влияние неоднородного распределения материала вдоль поперечного профиля пляжа на расчет интегрального вдольберегового расхода наносов применительно к неоднородным галечным и песчаным пляжам.
4. Разработать математическую модель переформирования неоднород-ного по составу пляжа в окрестности поперечных гидротехнических сооружений, основанную на едином подходе по определению интегрального вдольберегового переноса неоднородных наносов на галечных и песчаных пляжах, с учетом дифракции волн в зоне влияния сооружения.
5. Применить разработанные методики и модели для расчетов вдольберегового переноса наносов и переформирования пляжа на реальных объектах Черноморского побережья России.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы:
1. Теоретические исследования и математическое моделирование вдольберегового переноса песчаных и галечных наносов с учетом неравномерного распределения диаметра частиц наносов вдоль поперечного профиля пляжа.
2. Гидравлическое моделирование динамики пляжа в межбунном отсеке с учетом дифракции волн для сопоставления с предложенными расчетными методами.
Научная новизна исследований состоит в следующем:
1. Неоднородность состава пляжеобразующего материала заключается в распределении наносов по крупности вдоль поперечного профиля пляжа после обработки волнением и в том, что весь участок берегового склона, подверженного воздействию волн и течений, сложен наносами, двигающимися либо влечением, либо перемещающимися во взвеси, либо в транспорте присутствуют оба вида движения.
2. Величина интегрального расхода вдольберегового потока наносов для условий неоднородных галечных и песчаных пляжей может быть определена с использованием единого подхода, основанного на энергетических зависимостях, коэффициент которых рассчитывается по гидравлической методике Ackers-White.
3. При прогнозе переноса наносов в береговой зоне моря вблизи поперечных гидротехнических сооружений необходимо учитывать дифракцию волн, возникающую в зоне волновой тени сооружения. В уравнении диффузии при определении граничных условий для расхода наносов используется разработанная модель интегрального вдольберегового переноса неоднородных наносов. Влияние сооружений учитывается с использованием предложенной методики расчета коэффициента дифракции волн и угла подхода волн по линии обрушения.
Практическая значимость работы состоит в возможности использования разработанной методики для прогнозирования транспорта неоднородных наносов, динамики береговой линии пляжа, выявления мест аккумуляции пляжного материала и местных размывов, формирующихся у проектируемых сооружений.
Результаты работы были использованы при прогнозировании динамики пляжа под воздействием штормовых волн в межбунных отсеках пляжа пансионата ОАО «Санаторий «Автотранспортник России» для оценки устойчивости создаваемого галечного пляжа; при прогнозировании размывов пляжа вблизи оградительных молов проектируемых грузового района морского порта Сочи – Псоу и нового грузового морского порта Сочи – Уч-Дере.
Выполненные исследования были поддержаны грантом Президента РФ о государственной поддержке ведущих научных школ РФ НШ-8671.2006.5, а
также грантами РФФИ-Юг №06-05-96673, №09-05-96511 и №09-05-96503, РФФИ-офи №08-05-99025 и грантами МОиН №3.4.07 и №3.2.09.
Достоверность полученных результатов проведенных исследова-ний подтверждается проведенными экспериментами, анализом их результатов и сопоставлением с результатами численного моделирования и данными натурных измерений.
Конкретное личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации.
Выполнено сопоставление энергетического и гидравлического подходов к оценке транспорта наносов. Выполнен анализ существующих методик и формул для расчета вдольберегового потока песчаных и галечных наносов. Разработана методика расчета величины интегрального расхода вдольберегового потока наносов для условий неоднородных галечных и песчаных пляжей с использованием единого подхода. Проведены экспериментальные гидравлические исследования для изучения влияния неоднородного распределения материала вдоль поперечного профиля пляжа на величину вдольберегового расхода наносов применительно к галечным и песчаным пляжам. Выполнено сравнение результатов лабораторных опытов с расчетными данными. Выполнен анализ существующих формул по расчету коэффициента дифракции волн вблизи гидротехнических сооружений и разработана методика расчета коэффициента дифракции волн и угла подхода волн по линии обрушения. Разработана модель переформирования неоднородного по составу пляжа при наличии поперечных гидротехнических сооружений с учетом дифракции волн. Выполнен прогноз опасных литодинамических процессов в районе берегозащитных сооружений санатория «Автотранспортник России» и проектируемых оградительных молов портов в районе Сочи (Псоу и Уч-Дере).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены: на 6, 7 и 9 Международных научно-практических конференциях «Проблемы, инновационные подходы и перспективы развития индустрии туризма», Сочи (2006, 2007, 2009); на XIV школе-коллоквиуме по стохастическим методам и VIII симпозиуме по прикладной и промышленной математике, Сочи (2007); на XXII конференции «Проблемы управления и устойчивого развития прибрежной зоны моря», Геленджик (2007); на 5 Международной научно-практической конференции «Строительство в прибрежных курортных регионах», Сочи (2008); на конференции грантодержателей регионального конкурса РФФИ и администрации Краснодарского края «Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края», Туапсе (2008); на 7 Международной конференции «COPEDEC VII», Дубай, ОАЭ (2008); на V Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий», Сочи (2009); на Международной конференции в честь столетия со дня рождения профессора В.В. Лонгинова «Литодинамика донной контактной зоны океана», Москва (2009); на 9 Международной конференции «MEDCOAST 09», Сочи (2009); на заседании кафедры «Городское строительство и хозяйство» СГУТиКД (2009), на совместном заседании кафедр Гидравлики и Водного хозяйства и морских портов МГСУ (2010).
На защиту выносятся: методика расчета величины интегрального расхода вдольберегового потока наносов для условий неоднородных галечных и песчаных пляжей, результаты экспериментальных исследований влияния неоднородности пляжеобразующего материала на величину вдольберегового потока наносов; методика определения коэффициента дифракции и угла подхода волн по линии обрушения в области поперечных сооружений.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 88 наименований, и содержит 148 страниц машинописного текста, 72 рисунка, 16 таблиц, 2 приложения.
Существующие подходы к расчету транспорта песчаных и галечных наносов. Преимущества и недостатки формул, определяющих вдольбереговой расход наносов, основанных на энергетическом подходе
В инженерных расчетах для расходов песчаных и галечных наносов используются различные зависимости. Это относится и к оценкам интегрального переноса наносов во вдольбереговом направлении, и к оценкам локального переноса наносов во вдольбереговом и поперечном направлениях. Связано такое положение с тем, что большинство зависимостей для переноса наносов в береговой зоне моря волнами и течениями включают калибровочные коэффициенты, получаемые на основании измерений на изучаемом участке. Кроме того, динамические процессы взаимодействия волн с отмелыми и приглубыми берегами имеют существенные отличия, которые необходимо учитывать в расчетах переноса наносов.
Инженерно-геологические изыскания, а также экспериментальные исследования [23, 62] показывают, что чаще всего, материал пляжа в надводной и подводной части неравномерно распределен по поперечному профилю. Это определяется неоднородным исходным распределением материала пляжа, который подвергается сортировке по крупности при обработке волнением. При этом максимальная средняя крупность материала наблюдается несколько выше верхней границы наката волн [62]. При движении в сторону моря по профилю пляжа средняя крупность материала понижается.
Такое перераспределение материала характерно как для песчаных, так и для галечных пляжей, на некоторых участках оно может приводить к формированию профиля, сложенного в нижней подводной части песком, а выше по профилю сначала галькой, а затем гравием. В частности, такие поперечные профили пляжа измерены для береговой зоны Имеретинской низменности, где создаются два грузовых морских порта - новые грузовые районы морского порта Сочи [42]. Аналогичная картина наблюдается при формировании искусственных пляжей, а также при ремонтных пополнениях естественных и искусственных пляжей. Хотя, как правило, от материала, используемого для таких пополнений, требуют, чтобы их состав был близок к составу существующего пляжа, фактически используется доступный материал, который может существенно отличаться по характеристикам от существующего пляжа.
Таким образом, с одной стороны, перенос галечных и песчаных наносов считается по разным зависимостям, а, с другой стороны, реальные пляжи имеют песчаные и галечные участки профиля. Поэтому специальный анализ расчетных зависимостей для вдольберегового переноса наносов с целью получения универсальных подходов представляет собой задачу, важную в теоретическом плане и в плане выполнения практических расчетов взаимодействия наносов с гидротехническими морскими сооружениями, что и определило выбор темы настоящего диссертационного исследования.
В диссертационном исследовании использовались теоретические исследования и математическое моделирование вдольберегового переноса песчаных и галечных наносов с учетом распределения диаметра частиц наносов вдоль поперечного профиля пляжа и гидравлическое моделирование динамики пляжа в межбунном отсеке с учетом дифракции волн.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. В первой главе «Существующие методы расчета вдольберегового переноса наносов при наличии поперечных гидротехнических сооружений»: анализируются особенности динамики прибойной зоны приглубых галечных берегов; - рассмотрены существующие подходы к расчету вдольберегового переноса наносов; рассматриваются эффекты, связанные с неоднородным распределением пляжного материала по профилю пляжа; а также анализируются существующие модели воздействия поперечных сооружений на изменения транспорта наносов и берегов. - В заключительном разделе первой главы формулируются цель и задачи диссертационного исследования. Вторая глава «Разработка модели вдольберегового транспорта песчаных и галечных наносов при наличии поперечных гидротехнических сооружений» описывает методику и результаты анализа вдольберегового переноса наносов и его взаимодействия с поперечными гидротехническими сооружениями. Сравниваются расчеты переформирования пляжа с результатами экспериментальных исследований. Глава включает два раздела: - Модификация формул вдольберегового переноса наносов применительно к условиям галечных и песчаных пляжей с учетом мультифракционности материала; Математическая модель переформирования береговой линии при наличии поперечных гидротехнических сооружений. Третья глава «Экспериментальные исследования устойчивости пляжа при наличии поперечных гидротехнических сооружений» представляет методику и результаты экспериментальных исследований в волновом бассейне НИЦ «Морские берега». В главе представлены: - Цели и задачи экспериментов; Методика экспериментальных исследований; Исследование эволюции береговой линии при наличии поперечных берегозащитных сооружений. В четвертой главе «Калибровка и верификация модели вдольберегового переноса песчаных и галечных наносов» показаны результаты получения коэффициента и сравнение модели вдольберегового переноса песчаных и галечных наносов, основанной на модифицированных энергетических формулах с результатами численного моделирования, натурных и экспериментальных исследований. Глава 5 «Результаты расчетов вдольберегового транспорта наносов и переформирования пляжа на объектах Черноморского побережья России» включает описание применения результатов работы на трех реальных объектах: Прогнозирование динамики пляжа в окрестности берегозащитных сооружений пансионата ОАО санаторий «Автотранспортник России»; Прогнозирование размывов пляжа вблизи оградительных молов проектируемого второго грузового района морского порта Сочи - Псоу; - Прогнозирование размывов пляжа вблизи оградительных молов проектируемого нового грузового района морского порта Сочи - Уч-Дере. В заключении перечислены основные выводы по результатам диссертационного исследования.
Модификация формул вдольберегового переноса наносов применительно к условиям галечных и песчаных пляжей с учетом мультифракционности материала
Таким образом, формула (1.1) с коэффициентом 0,01 по отношению к (1.12) при уклоне 0,1 дает ошибочную оценку в 2-6 раз. Это объясняется тем, что этот коэффициент был получен на уклоне, меньшем, чем 0,1, и поэтому, при уклоне 0,04 погрешность по формуле с коэффициентом 0,01 составляет только 35%.
То есть, несмотря на то, что в [86] были попытки использования (1.1) для определения расхода на галечных пляжах, все-таки общего коэффициента, как для случая песчаных пляжей, нет, и нет теоретического анализа для получения таких коэффициентов. Чтобы использовать формулу (1.1) необходимо предварительно определять коэффициент согласно конкретным условиям выбранного участка берега [86].
Аналогично обстоит дело с коэффициентами у эмпирических зависимостей для галечных пляжей, например у формулы (1.11). Он также как и коэффициент 0,01 для (1.1) нуждается в дополнительном определении в соответствии с местными условиями. Формула (1.11), по отношению к (1.1), будет иметь более близкие величины по сравнению с измеренным годовым вдольбереговым потоком и вычисленными расходами по численной модели BOREZED в условиях уклона 0,1-0,12. Это обусловлено тем, что коэффициент в (1.11) был получен экспериментально на участке галечного пляжа при среднем уклоне от линии обрушения до вершины наката волн 0,12 [31]. Но в случае уклонов, меньших 0,12, погрешность вычислений становится значительнее.
В связи с изложенным выше, предлагается единый подход к определению расхода наносов на неоднородных галечных и песчаных пляжах, основанный на модифицированных энергетических зависимостях. Модификация формул заключается в получении для них эмпирического коэффициента, позволяющего учитывать различия гидравлических процессов, протекающих на галечных и на песчаных пляжах. Это обусловлено тем, что в эмпирическом коэффициенте в значительной степени заложены особенности пляжей (поперечный уклон, размеры слагающих пляж наносов), формирующие характерные процессы, оказывающие доминирующее влияние на величину расхода.
Все используемые зависимости по определению расхода наносов оперируют средним или другим репрезентативным диаметром наносов. В то же время установлено, что на галечных и песчаных пляжах наблюдается распределение наносов по крупности по поперечному профилю пляжа [42, 62], с общей тенденцией увеличения средней крупности к линии уреза.
На рис. 1.7 и 1.8 представлено распределение наносов по поперечному профилю реального песчаного и галечного пляжа соответственно.
Распределение наносов по крупности по поперечному профилю галечного пляжа (Имеретинская низменность, г. Сочи) [42] Теоретические и экспериментальные исследования В.В. Вайтман [14], И.Г. Кантаржи, В.В. Вайтман [20, 21, 22, 23, 67, 68] показывают, что наблюдаемое перераспределение материала по поперечному профилю пляжа под действием волн связано с особенностями перемещения различных фракций в смеси неоднородных наносов. По началу движения в смеси неоднородных наносов мелкие фракции начинают двигаться при больших значениях параметра подвижности (параметра Шильдса), чем однородные наносы того же диаметра зерен. Это связано с так называемым эффектом экранирования. Для крупных фракций, наоборот, движение начинается при меньших значениях параметра подвижности, чем для однородных наносов того же размера. Для моделирования эффекта используется трансформация критических условий начала движения по отношению к однородным наносам. Как показано в [14, 20, 21, 22, 23, 67, 68], только учет различий условий начала движения однородных и неоднородных наносов позволяет прогнозировать перестройку поперечного профиля пляжа, сложенного неоднородным материалом.
На основе проведенного теоретического анализа профилей галечных и песчаных пляжей, при модификации формул предлагается под галечными пляжами рассматривать пляжи, представленные наносами, которые перемещаются преимущественно влечением, а под песчаными - пляжи с наносами, движущимся преимущественно во взвеси. В первом случае это присуще приглубым участкам берегового склона со значительным уклоном, а во втором - отмелым, с уклоном более пологим. То есть, при модификации формул предлагается учитывать, что весь участок берегового склона, подверженного воздействию волнения, сложен либо наносами, двигающимися влечением, либо перемещающимися во взвеси, либо в транспорте присутствуют оба вида движения.
Таким образом, состав естественных и искусственных пляжей многофракционен, и представляет собой смесь различных по диаметру фракций. И, если учитывать это фракционное распределение, то можно попытаться получить более точную оценку вдольберегового транспорта наносов, а также эволюции береговой линии. Поэтому, при модификации энергетических зависимостей помимо многофракционности предлагается еще учитывать и неоднородное распределение наносов вдоль поперечного профиля пляжа.
Характер взаимодействия потока наносов с поперечными гидротехническими сооружениями зависит от состава наносов, характера их перемещения, планового расположения и конструкции сооружения.
Так при взаимодействии поперечных гидротехнических сооружений (портовые молы, буны, сплошные причалы) с однонаправленным потоком наносов происходит классическое заполнение входящего угла, то есть накопление наносов перед сооружением и низовой размыв за сооружением. Если же поток разнонаправленный, то происходит заполнение входящих углов с обеих его сторон [29].
В случае крупнозернистых наносов, после полного заполнения угла, наносы обходят сооружение и если это портовый мол и есть подходной канал, то начинается его заносимость. А если подходного канала нет, то отложение наносов происходит у голов мола. После этого либо удлиняют мол, либо организуют дночерпание или байпассинг [29].
Калибровка модели на основе сравнения с результатами экспериментальных исследований
В зависимости от формы поперечного сечения все оградительные сооружения подразделяют на сооружения вертикального профиля (рис. 1.11, а, б), откосного профиля (рис. 1.11, в) и смешанного типа, у которых нижняя часть имеет откосный профиль, а верхняя обычно представляет собой вертикальную стенку гравитационного типа (рис. 1.11, г). Кроме того, выделяют оградитель ные сооружения специальных типов: сквозные, плавучие, пневматические и гидравлические. Как правило, молы выполняют в виде вертикальных сооружений либо гравитационного, либо свайного типа, посредством защемления свайных конструкций в грунт основания, либо же смешанного типа. Откосного типа чаще всего строят волноломы. Выбор типа конструкций гидротехнических сооружений главным образом зависит от физико-географических условий района строительства, а в частности от характеристики разрабатываемого грунта. Остановимся на более подробном рассмотрении конструкций выделенных типов оградительных сооружений вертикального и откосного профиля. Оградительные сооружения вертикального профиля гравитационного типа (рис. 1.11, а) состоят из постели и вертикальной стенки, в которой выделяют подводную и надводную части (надстройку). Главное назначение постели в основании сооружений гравитационного типа — создание ровной поверхности, обеспечение большей равномерности распределения давления на поверхности естественного основания, уменьшение этого давления и предохранение грунтов от размыва под подошвой стенки и вблизи от нее.
Надстройка располагается выше уровня воды и состоит из мощной монолитной плиты с минимальной толщиной 1,5...2 м. и сборно-монолитного парапета с шириной также не менее 1,5...2 м. Основное назначение надстройки -обеспечение надежной связи между отдельными частями подводной стенки.
Подводная стенка (конструкция подводной части вертикальной стенки) может быть выполнена из различных элементов: из бетонных массивов массой до 100 т, массивов-гигантов, железобетонных оболочек большого диаметра, оболочек из гладкой или гофрированной стали.
Наибольшее распространение получили оградительные сооружения из бетонных массивов массой до 100 т и массивов-гигантов. Последние могут возводиться в условиях волнения различной силы.
В наибольшей степени требованиям монолитности и минимальных сроков строительства удовлетворяют оградительные сооружения из массивов-гигантов. Такие сооружения представляют собой ящики, как правило, железобетонные, заполненные бетоном, камнем, гравием или песком. Иногда при достаточно больших размерах массива-гиганта или при строительстве оснований удаленных от берега маяков применяют металлические ящики. Конструкция массива-гиганта позволяет при необходимости удалить каменное или песчаное заполнение и передвинуть сооружение на другое место.
Наиболее оптимальными условиями для возведения оградительных сооружений гравитационного типа будут при глубине воды в месте строительства до 20...28 м и высоте волны hb/o=5...7 м и более и достаточно плотных грунтах. Последнее обусловлено тем, что оградительные сооружения гравитационного типа чувствительны к неравномерным осадкам. При слабых илистых грунтах требуется предусматривать специальные мероприятия по их уплотнению.
При скальных грунтах, если не устраивается каменная постель, сооружения гравитационного типа могут возводиться на любой глубине, доступной по условиям производства работ и экономически обоснованной. В то же время и при малых глубинах воды на подходе (2...2,5)h и над бермой (l,25...1,3)h нет особых противопоказаний к применению сооружений вертикального профиля вообще и гравитационного типа в частности, но в этом случае необходимо рассчитать устойчивость сооружения и прочность основания, исходя из воздействия прибойных или разбитых волн.
Оградительные сооружения вертикального профиля свайного типа (рис. 1.11,6) состоят из свайного или шпунтового ограждения, каменного, гравийно-песчаного или песчаного заполнения и надстройки.
При устройстве сооружений этого типа к грунтам основания предъявляют менее жесткие требования, чем при устройстве гравитационных сооружений. Оградительные сооружения свайной конструкции можно возводить на слабых илистых грунтах любой мощности. Грунты основания при свайных сооружениях могут иметь меньшую несущую способность, чем это требуется в случае сооружений гравитационного типа, но должны допускать забивку свай или шпунта на необходимую глубину.
Кроме того, в основании свайных сооружений не устраивают каменной постели, которая является относительно дорогой и трудоемкой частью сооружения. При необходимости защиты дна перед сооружением от размыва здесь отсыпают слой камня толщиной около 1 м и устраивают обратный фильтр из карьерной мелочи [36]. Преимущества таких конструкций также еще в том, что они разборные и сейсмоустойчивы. В отличие от сооружений гравитационного типа, сооружения свайного типа можно возводить при меньшей высоте волны - до 4...5 м.
Прогнозирование размывов пляжа вблизи оградительных молов проектируемого нового грузового района морского порта Сочи-Уч-Дере
При длине сооружения в 100м она составляет 31м, а при длине сооружения 50 м -15,5 м. Также, с увеличением длины сооружения происходит сдвиг зоны размыва вправо от сооружения, что оказывает благоприятное влияние на устойчивость самого сооружения. В результате сопоставления размывов, полученных по базовой модели не учитывающей дифракцию и по модифицированной, включающей дифракцию можно заключить следующее: 1. Без учета дифракции размыв начинается сразу за сооружением и имеет острую треугольную форму. Величины сдвига и размыва не зависят от длины сооружения при прочих одинаковых условиях. 2. В случае включения дифракции по предлагаемой методике яма размыва отодвинута вправо от сооружения и имеет более пологий характер, а также величина размыва, как и сдвига, зависит от длины сооружения при прочих одинаковых условиях. Величина сдвига увеличивается с увеличением длины сооружения. Влияние длины сооружения на размыв проявляется в уменьшении ее величины при увеличении длины сооружения. В случае учета дифракции волн величина размыва уменьшается, в сравнении со случаем ее не учета.
Для оценки предлагаемой методики по определению коэффициента дифракции, возникающей в теневой зоне сооружения и угла подхода волн, используем результаты одного из проведенных экспериментов по переформированию галечного пляжа при наличии поперечных гидротехнических сооружений, в процессе которого наблюдался дифракционный эффект. В масштабе 1:30 в волновом бассейне АО «Морские берега» была построена модель в межбунном отсеке, который заполнялся исходным пляжем. Схема гидравлической модели межбунного отсека представлена на рис. 2.11. Подробное описание выполненных экспериментов дано в диссертации ниже в главе №3.
На рис. 2.12 представлен пляж в межбунном отсеке №3 через 6 часов после начала опыта. На рис. 2.13. изображена эволюция берега по результатам математического и гидравлического моделирования. Буна №4 является частично проницаемой для наносов. б) Эволюция берега: 1 - по гидравлическому моделированию; 2 - по математическому моделированию; 3 - начальная линия пляжа Из рисунка видно, что размыв начинается сразу за буной №3, около середины межбуиного отсека он принимает как по гидравлическому, так и по математическому моделированию максимальное значение, равное 10 м. Далее к буне № 4 наблюдается намыв. И непосредственно у буны №4 ширина пляжа увеличивается на 6 м по результатам гидравлического моделирования и на 10м по результатам математического моделирования. Это обусловлено тем, что исследуемый участок берега ограничен двумя поперечными сооружениями -буной №3 и №4. Т.е. материал, идущий от буны №3 к буне №4, задерживается последней, что приводит к увеличению ширины пляжа на границе участка. Но так как буна №4 является частично проницаемой, то величина намыва незначительна.
Таким образом, на участке берега, ограниченном двумя поперечными сооружениями, несмотря на всю сложность процесса в коротком межбунном отсеке, в отсеке №3 все-таки преобладает вдольбереговой перенос и наблюдается дифракционный эффект, вызываемый поперечным сооружением при входе волн в отсек.
На основании сделанного сопоставления, можно заключить, что учет дифракции волн позволяет получать более достоверные прогнозы низовых размывов. В случае же расчета по базовой модели, размыв должен будет начинаться сразу за сооружением и иметь острую треугольную форму, что не соответствует результатам проведенных экспериментов. Поэтому, явление дифракции важно учитывать при прогнозе размывов не только в случае достаточно длинных оградительных портовых молов, но и при наличии коротких берегозащитных сооружений.
Таким образом, разработана математическая модель переформирования неоднородного по составу пляжа в окрестности поперечных гидротехнических сооружений, включающая учет эффекта дифракции волн на сооружении, что позволяет учитывать влияние сооружения на низовой размыв пляжа. Отличие от существующих моделей состоит в том, что в предлагаемой модели учет дифракции основан на разработанном упрощенном методе по определению коэффициента дифракции и угла по линии обрушения. Таюке, в уравнении диффузии, расход наносов рассчитывается с использованием разработанной модели вдольберегового переноса неоднородных наносов применительно к условиям галечных и песчаных пляжей.
