Взаимодействие волн с гидротехническими сооружениями в прибрежной зоне моря Шахин, Виктор Миронович

Введение к работе

Актуальность работы. Интенсивное освоение морских побережий и широкомасштабное гражданское, промышленное и курортное строительство, как правило, сопровождается все более усиливающимся вторжением человека в естественные береговые процессы. Так, строительство портов приводит к нарушению вдольберегового потока наносов, застройка территории к прекращению поступления материала коренного берега на подводный береговой склон, хозяйственное освоение речных пойм-втпіяет на твердый сток рек. Нарушение хода природных процессов нередко вызывает нежелательные последствия: обмеление . портовых .акваторий, низовые размывы берегов, подмыв оснований и разрушение инженерных сооружений, активизацию оползневых процессов и др. Кроме -того, в последние годы весьма актуальной является проблема загрязнения прибрежных акваторий нефтепродуктами, промышленньлш и коммунальными сточными водами, химическими удобрениями и гербицидами.

Таким образом, в настоящее время строительство гидротехнических сооружении в прибрежной зоне морей- и водохранилищ требует решения комплекса задач. Это и традиционные задачи воздействия волн и течений на сооружения, но также и задачи о влиянии проектируемых объектов на смежные участки берега, режим движения наносов, подводный береговой склон, вдольбереговые и циркуляционные течения, водообмен. Однако решение такого комплекса' задач для условий прибрежной зоны, в частности прибойной, - достаточно сложная проблема.

Так, до настоящего времени нормированные методы расчета параметров воля-и нагрузок на сооружения основываются на линейной теории волн и эмпириче-' гких формулах. Нет единой концепции по методике физического моделирования гидро-литодинамических процессов в прибрежной зоне моря. Не получили обоб-цения новые методы и сооружения с~использованием проницаемых конструкций, эазработанные в последние годы.

Требуют совершенствования и теоретические методы исследования транс
формации волн в прибойной зоне моря. В настоящее время расчет обрушающих-
л волн (Лонге-Хиггине, Стюарт. Меоте. Леонтьев) осуществляется с использо-
іанием соотношений линейной теории для оценки энергии волн. Кроме того, не
"читывается нелинейное взаимодействие волн и течений, генерируемых волнени-
м в прибойной зоне. — _"-""

В-последние годы возрос интерес к изучению пограничного слоя, формируе-[ого волнением на мелководье. -Это можно объяснить тем. что от характеристик

--- -.--Э-

течения в этом слое зависит и направленность перемещения наносов, и рельї дна, и, в конечном счете, устойчивость берегового склона. Однако работ, посі щенных исследованию "турбулентного пограничного слоя пока относительна і много (Ионсон, Беккер,. Дэвис, М.И. Железняк, Слис,Саммер и др.). Это мож объяснить тем, что. исследования, статистически нестационарных турбулентні течений весьма сложны. И лишь с развитием чзмержтельной и вычислитель» техники стало возможным проводить изучение таких течений более интенсивнс глубоко.

" Таким образом, можно сделать вывод об актуальности задачи обобщен и разработки новых методов экспериментальных и теоретических исследоваи гадро-литодинамических процессов в прибрежной зоне моря с учетом совреме ных достижений гидромеханики. В связи с тенденцией все возрастающего пр менения компьютеров для инженерных расчетов и проектирования," актуальні является и "доведение" математических моделей до отлаженных и апробирова ных программ, позволяющих проводить расчеты трансформации волн, их вза модействия с сооружениями, течений в прибрежной зоне моря, включая црибо нузпу с учетшснелинейных, дисперсионных и диссипативных эффектов. Требуї техзрчїгатїЕетйігіз. оопснов'антпі новые способы и конструкции, разработанные в г следние годы для снижения: штормового воздействия на берега и инженерш сооруаьежшг.

Іїсшпашж Эъеы; мссяедоааний был выполнен в рамках государственных атраслгааьсЕ nporpaiar. а также в процессе проведения поисковых и научно - т( нических работ по конкретньш объектам.

Личный вклад диссертанта в исследованиях, выполненных в соавторсті заключался в постановке задач, разработке алгоритмов их решения, методи* ской руководстве и участии в экспериментальных исследованиях, анализе j зультатов измерений.

Целью работы является комплексное решение научно - технической проб: мы о воздействии штормового волнения на гидротехнические сооружения разлі-ных типов в прибрежной зоне"моря, включая прибойную, с разработкой нов: методов физического и математического моделирования.

Для реализации поставленной цели необходимо было: выполнить анализ э: периментальных и теоретических исследований по рассматриваемой проблег разработать метод расчета волнопродукторов; провести масштабные серии э:

риментов; разработать алгоритмы и программы для расчета течения в волно-м пограничном слое, трансформации волн конечной амплитуды в мелководной ае, включая прибойную, с произвольным рельефом дна, их взаимодействия с цротехническими сооружениями; создать методы расчета новых б^егозащит-х сооружений с проницаемой передней гранью и волновой камерой; решить цачу о нелинейном взаимодействии волн и их взаимодействии с неоднородно-ими рельефа дна; рассмотреть вопрос о влиянии проницаемых сооружений и эднородностей рельефа дна на транспорт наносов.

Методы исследований. В процессе работы был выполнен комплекс экспе-
ментальных исследований: методические опыты, масштабные серии опытов и
ыты по обоснованию математических моделей; а также значительный объем
эретических исследований, включающий аналитическое и численное решение
;ач, математическое моделирование гидродинамических процессов в прибреж-
d зоне моря, разработку и обоснование методов расчета. Кроме того были
эведены разработки по совершенствованию методики физического моделиро-
іия волн и течений а также созданию новых методов и устройств для целей
эегозащиты. --"-.

Объекты исследований - прибрежная зона моря, волны, гидротехнические
>ружения. ,..--

Научная новизна работы. Разработаны и обоснованы новые подходы к фи-гескому моделированию береговых процессов на морских побережьях, пред-кен новый метод расчета волнопродукторов для условий относительно малых ^гбин.

Разработаны новые типы берегозащитных сооружений и методы их расчета.

Решены задачи о нелинейном взаимодействии волн с нёоднородностями ре-:фа дна и дисперсионном усилении волн. -

Разработан метод расчета волновых процессов в-прибойной зоне моря и ме-( расчета волнового пограничного слоя на.подводном береговом склоне.

Практическое значение работы заключается в возможности использования [ученных результатов: при физическом моделировании гидро" - лйтодинамиче-х процессов на конкретных береговых участках; для оценки параметров волн ечений в прибрежной зоне_ моря, в' том числе в прибойной зоне и течений в [донном пограничном слое; для расчета взаимодействия волн с сооружениями личных типов и волновых нагрузок яа "сооружения с учетом нелинейных, дис-сионных и диссипатйвных эффектов; при разработке способов и конструкций

для защиты берегов, коммуникаций и инженерных сооружений от воздействия штормового волнения; при оценке влияния сооружений на смежные участки береговой зоны.

На защиту выносятся:

методика физического моделирования береговых процессов на галечных и
песчаных побережьях;

метод расчета трансформации волн (как регулярных, так и нерегулярных) на береговом откосе с произвольным рельефом дна;

закономерности взаимодействия волн большой амплитуды с подводной траншеей и взаимодействия слабодисперсионных волн различной длины;

метод расчета трансформации волн конечной амплитуды в мелководной акватории с произвольным рельефом дна, в том числе при наличии инженерных сооружений;

метод расчета параметров волн и генерируемых ими течений в прибойной зоне моря:

метод расчета течения в пограничном слое, формируемым волнением на под-водном берсгозззм «ждоже;

метод расчета волновых нагрузок на сооружения различных типов, в ton числе ад сооружения с проницаемой передней гранью и волновой камерой;

новые методы и конструкции для целей берегозащиты;

метод тафеввк влияния стеал взносов на смежные участки береговой зоны.

Результати работы внедрены:

при решении практических задач на различных участках берегов морей Черного (Северо - Запад, Крым, Краснодарский край), Азовского (Краснодар ский край), Балтийского (г. Светлогорск, г. Зеленогорск, Куршская коса), Ка спийского (г. Дербент, г. Махачкала);

методика гидравлического моделирования волнения и береговых процессо: опубликована;

методы расчета проницаемых сооружений используются в. специализировав ных проектных организациях России и Украины;

новые методы берегозащиты (с применением.пр.оницаемых сооружений с воі
новой камерой и подводной траншеей) запатентованы и находятся в различны
стадиях внедрения. - ..

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных и 16 всесоюзных и республиканских конференциях, совещания и семинарах.

С ....

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, в том числе гчено 4 авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из предисловия, шести глав и заклю-ія. Содержит 186 стр., в том числе 57 рис., 12 таблиц и список литературы 02 наименований.

Abvop считает своим долгом выразить глубокую признательность академи-'АН О.Ф. Васильеву, доктору техн. наук~Д.Д. Лагшо, канд. техн. наук Хасхачиху за постоянное внимание к работе и большую помощь; докторам шо-математических наук В.И. Букрееву, Е.Н. Пелиновскому, И.Т. Селезо-;окторам технических наук А.Н. Милитееву, Е.И. Массу, доктору географиях наук Н.А. Айбулатову, инженеру Ю.С. Гребневу, кандидатам техниче-: наук А.А. Атавину,- Е.К. Гречищеву, И.Ш. Халфину, В.Л. Максимчуку, (идату физ.-мат. наук М.И. Железняку, кандидату географических наук В.В. ицкому за ценные советы, высказанные при обсуждении отдельных этапов эты, кандидатам технических наук В.П. Мальцёву,"К.Н. Макарову, н.с. Л .-А. ельник, инженерам В.В. Козлову, Н.А. Ермаковой, Л.А.Месс, и другим со-щикам Черноморского отделения ЦНИИС за помощь в проведении экспери-:альных исследований и расчетов, а также н.с. Т.В. Шахиной за большую эгць в отладке программ и проведении численных экспериментов.

Основное содержание работы В предисловии дано обоснование актуальности работы и сформулированы [ и задачи исследований.

В первой главе изложено современное состояние вопроса. Отмечается, что в лабораторных условиях гидро- литодинамические процес-

прибрежной зоне моря изучаются, как правило, на уменьшенных моделях.

этом для создания диналпгчески подобных процессов следует соблюдать ряд івий, которые вытекают из теории подобия или теории размерностей. Прин-динамического подобия может быть сформулирован (Л.И. Седов, Б.А. Шу-

Дж. Дейли и Д. Харлеман) как требование того, чтобы в двух системах эметрически подобными границами индивидуальные силы, действующие, на ветствующие элементы среды в соответствующие моменты времени, были ном и том же отношении. При правильной постановке экспериментов мож-олучить не только достаточно полную качеств енну ю_картину явления, но и осодимую количественную информацию (И-И. Леви, .Дж. Шарп)." Гидравлическое моделирование процессов распространения волн обычно

осуществляется при обеспечении геометрического подобия,\в соответствии еды-, бранным линейным масштабом а/,, равенства чисел Фруда и соответствующих начальных (при необходимости) и граничных условий.- Влияние вязкости на движение волн, как правило, невелико. Равенство чисел Фруда в натурных условиях и на модели обеспечивается выбором масштаба периода волн ат позависимости

&т = ^/Щ- ..'"".. (1)

Есдиг да размываемое, та на модели; необходим обеспечить и.подобие процессов переноса наносов, в частности обеспечить соответствующее отношение сил инерции к силам вязкости, действующих на-частицы наносов, или равенство чисел Рейнольдса.

В общем случае на модели не удается получить число Рейнольдса, соответствующее натурному. В этом заключается основная трудность моделирования гидравлических процессов в» потоках, со свободной поверхностью и размывае-шаш гаявзагашшж. ЗЖгашгох^.'ш жакдош жшнресждг хшувга !ввЙ50(Яима анализировать- шгаяние чдасга Рейясякдка на. результаты игс-яждований. При достаточно больших: числах Рейнольдса силы гидравлического' воздействия; пропорциональны: даведрату «норостн; и. ню зашалят от вязжости жадности. В этом случае необ жедашо жОжспечихь щгцшйие -по 'щшешу #[зуда. и гедагс';г*рмщеакое подобие донны: нашяааа. ТашвШ ездучнй и&жаг метала при изучешк движения крупнозернисты: нанхкгов, а также при" волновом воздействии на относительно крупномасштабны! сооружения или элементы сооружений.

Если наносы мелкозернистые, то иргьдат пренебречь влиянием молекулярно: вязкости на перенос твердых частиц. В этом случае оба параметра, и числі Рейнольдса и число Фруда, являются определяющими. Для изучения в лабора торных условиях движения мелкозернистых наносов применяются методы Прі: ближенного моделирования как с использованием натурного материала,, так легких частиц.

С применением частиц из легких материалов выполнено довольно значителі ное количество работ по исследованию транспорта-наносов в береговой зоне и руслах. Использование легких частиц позволяет моделировать условия начал размыва дна. Однако процессы переноса наносов искажаются и в этом случа поскольку относительная шероховатость дна на модели будет отличаться от н турной, а значит будут отличаться и гидродинамические характеристики теч ния. Подробный обзор масштабных соотношений,'полученных до 1975 г р&зньц.

"8 --

эторами при моделировании движения наносов в прибрежной зоне, обусловлен-эго волновым воздействием, с использованием легких наносов дан Камфуисом.

Следует отметить также работы Нода и Зеллинга по методике гидравличе-
сого моделирования профиля песчаного берегового склона.

Обзор работ последнего десятилетия по методике гидравлического модели-звания трансформации волн и лито динамических процессов на морских берегах .шолнил Далримпл. Из этого обзора следует:

1. На модели правильно воспроизводится -трансформация коротких золн з гучае равенства чисел Фруда и геометрического подобия.

2. Для длинных волн возможно искажение масштабов модели. При этом хгговерно будет воспроизводиться рефракция волн, поскольку фазовая скорость >лны является функцией'только глубины воды.

3. Процессы трансформации и дифракции волн, в том числе волн относи- . льно большой амплитуды на произвольной глубине, и трансформации волно-іго спектра на неискаженных физических моделях соответствуют процессам в .турных условиях.

4. При равенстве чисел Фруда и геометрическом, подобии в лабораторных ловиях моделируется и обрушение волн в прибойной зоне.

К сожалению, таких однозначных выводов нельзя сделать относительно мо-лирования процессов переноса наносов. Поэтому в данной работе большое имание уделено методике лабораторных исследований транспорта наносов з ибрежной зоне моря.

Методы расчета взаимодействия золн с подводным береговым склоном или косами инженерных сооружений существенно различаются з зависимости от аы распространения волн. Методы, хорошо разработаны для описания транс-рмации волн до обрушения (Стоке, Буссинеск, Кортевег и де Фриз, М.А. Ла-ентьев, Стокер, Уизем, Л.В. Овсянников, Ю.З. Алешков, Ю.И. Шокин. Пе-грин, Е.Н. Пелиновский, М.И. Железняк. А.А.' Атавин. СМ. Шугрин и др.). (нако эти методы непригодны для расчета параметров золн в прибойной зоне, залось бы. в этой зоне, где длина золн существенно больше глубины, а сле-зательно. дисперсионные эффекты несущественны, должна -хорошо "работать"-іссическая теория мелкой воды, которая с удовлетворительной точностью опивает движение длинных золн, з том числе с обрушением в виде гндравлическо-прыжка или турбулентной боры. Однако этой теорией при расчетах зетро-s волн следует пользоваться с осторожностью. Во-первых, она не позволяет івильно определить местоположение начала обрушения золн (если проводить

расчеты с учетом нелинейных членов, то независимо от глубины все волны при движении обрушатся) и, во- вторых, скорость диссипации энергии в турбулентной боре относительно велика и в расчетах волны быстро затухают. В реальных условиях при пологих береговых склонах обрушаюгцаяся волна может пройти большстсрзсстояніге', л^е^аде ч^жгиу-Щйсгиенни уменьшится ее высота.

При решении задачи о трансформаций: воле в прибойной зоне нагболее часто используется метод, предложенный Меоте. Метод основан на решении уравнения баланса энергии волн в виде

где Е - энергия волн на единицу площади; c_s - скорость переноса энергии; D -скорость диссипации анергии, обусловленная разрушением волн и трением о дно; х - горизонтальная координата, направленная к берегу. В прибойной зоне трением о дно обычно пренебрегают, а скорость диссипации энергии определяется по зависимости, аналогичной для скорости диссипации в гидравлическом прыжке. Необходимо отметить также, что обрушающиеся волны создают дополнительные напряжения в направлении распространения волн. Это вызывает повышение среднего уровня (волновой нагон) и генерирование вдольбереговых, циркуляци--онных и разрывных течений. Теоретические исследования этих явлений стали развиваться после работы Лонге-Хиггинса и Стюарта, в которой авторы ввели концепцию радиационных напряжений. Расчет характеристик волн и течений з прибойной зоне в настоящее время осзтцествляется по следующей схеме (И.О. Леонтьев): .

из уравнения (2) определяется плотность волновой энергии; __

с использованием соотношений линейной теории волн -рассчитываются радиационные напряжения; - - -

определяется волновой нагон;

с учетом волнового нагона и радиационных, напряжений решаются осредненные по глубине уравнения количества движения и неразрывности.

К достоинствам такого метода можно~отнести относительную его простоту-л'во
многих случаях неплохое соответствие результатов расчетов с эксперементаль-
ными данными. К недостаткам -пренебрежение нелинейными эффектами, кото
рые в прибойной зоне весьма существенны, неучет взаимодействия волн различ
ной длины, а также взаимодействия волн и течений. * -----*.-..

Методы расчета волновых нагрузок на гидротехнические сооружения; которые лежат в основе действующего.нормативного документа (СНиП2.06.04 — 82*) наиболее полно обобщены в монографии.Д.Д. Лаппо, С.С. Стрекалова и В.К. Завьялова. Теоретической базой большинства из этих методов является нлассй-' ческая потенциальная теория волн как в линейной, так и нелинейнойтюстановках. Так, например, волновые нагрузки на вертикальные сооружения определяются на основе зависимостей теории стоячих волндст третьего приближения включительно. Учет различных эффектов, не описываемых теоретически, асуществляется с помощью эмпирических параметров, установленных в результате обобщения большого экспериментального материала (Д.Д. Лалпо, Н.Н". Загрядская, СМ. Мищенко, П.П. Кульмач, Г.Н. Смирнов, В.К. Штенцель и др.).

Вместе с тем необходимо обратить внимание на то, что в нормативной литературе не нашли должного отражения результаты, полученные на основе,, так называемых, нелинейно - дисперсионных моделей.

В последние годы значительно возрос интерес к изучению пограничного слоя, формируемого волнением на мелководье. Это можно объяснить тем, что от характеристик течения в этом слое зависит и направленность перемещения осадков, и рельеф дна, и, в конечном счете, устойчивость берегового склона. Так, например, известно, что волны большой высоты асимметричны - гребни их больше по амплитуде и короче, чем впадины.. Следовательно, и характеристики пограничного слоя под гребнями волн будут отличаться от соответствующих характеристик по ц впадинами, а значит различной в зависимости от направления будет и транспортирующая способность придонного течения.

Тщательный обзор работ, посвященных исследованию волнового пограничного слоя, выполнен Р.Д. Косьяном и" Н.В. Пыховым. Отмечается,-что первые измерения в волновом пограничном слое были проведены в 1963 г. Ионсоном. Тонкие эксперименты, в которых измерялись и турбулентные характеристики пограничного слоя, были выполнены значительно позже Слисом. Самером и др. Теоретические исследования волнового пограничного слоя ведутся в направлении создания методов расчета интегральных и локальных характеристик (Йон-сон, Хунт и Темпервилл. М.И. Железняк. Кадзиура, Бэккер и др.). Однако в целом, исследований по волновому пограничному слою пока относительно немного, в частности, не решена задачагпгограшгчном слое, формируемом волнами конечной амплитуды на подводном береговом склоне.

Вопросы методики гидравлического моделирования транспорта наносов, расчета взаимодействия волн с подводным рельефом и сооружениями, в том чи-

еле с новыми типами конструкций, формирования придонного пограничного слоя и вдольберегозых и циркуляционных течений в приЗрежной зоне моря были предметом исследований данной работы.

Во второй главе исследованы вопросы расчета волнопродукторов, методики физического моделирования движения крупнозернистых и мелкозернистых наносов в прибрежной зоне ыоря. - -

Для создания волн в гидравлических лабораториях широко применяются щитовые и пневматические волнопродукторы, "ныряла", круглые и эллиптические цилиндры (А.С. Офицеров). При генерировании регулярных волн обеспечивается постоянство частоты и амплитуды движения волнообразующих тел или моногармоническое колебание объема воздуха под колоколом пневматического вол-нопродуктора. Движение волнообразующих тел осуществляется, как правило, с помощью электромеханического или-электрогидравлического привода.

На пространственных моделях при проведении исследований с различным углом подхода волн к испытываемому сооружению применяются передвижные волнопродукторы или волнопродукторы змеевидного типа, в которых фаза, келге-баний волнообразующих элементов может изменяться вдоль волнопродукзора. В волновых бассейнах, оборудованных стационарными волнопродукторами, генерирующими волны постоянного направления, изменение подхода волн к сооружению осуществляется путем изменения ориентации сооружения относительно направления распространения волн!

Нерегулярное волнение в лабораторных условиях моделируется с помощью волнопродукторов, оснащенных управляющими и следящими за частотой и амплитудой колебаний волнообразующих тел системами.

Методы расчета гидродинамических нагрузок на волнопродукторы и параді/^-метров генерируемых волн рассмотрены в работах А.С. Оицерова, А.Н. Черкасова, О.Н. Машковича й Л.И. Лейтеса, В.П. Мальцева, Флика и Гузы, Массела. В данной работе разработан метод расчета волнопродукторов и параметров волн на основе теории мелкой воды. . ^—: ...

Так, например, для щитовых волнопродукторов в случае отсутствия зазора
под щитом и отражения волн от торцевых стенок в линейном приближении полу
чено: ----.:. --
- '" - при возвратно поступательном движении щита х = —Aq cos ut

Id An
h = 4.т J-—, F_max = pgdh; (3)

при колебательном движении щита <^ = — у>о coswi с нижним расположением
пята _₎'

⁼ лЛДГ . -^Fmax = /><7(а- Да)Л. (4)

> Ао, Г - амплитуда и период колебаний щита; ро - максимальный угол от-:ния щита относительно вертикальной плоскости; Ad - расстояние от дна до щта; Л - высота-генеркруемых волк; F_max - удельная максимальная волновая гзка. на щит волнопродуктора.

Іри погружении з воду ныряла прямоугольного сечения по гармоническому ,у = .4.1 (1 — cosu:t)_ высота, волн її и нагрузка F_max будут равны

'2аА, .і _ pghy/дЭГ ...

- Трт: ^Fmax_ ; ⁽⁵⁾

- расстояние от линіш невозмущенной свободной поверхности до нижней <ости ныряла; .4] - амплитуда колебаний ныряла; a - ширина профиля ныря-

3 работе выполнено сопоставление расчетных данных с экспериментальны-У становлено, что линейная теория мелкой воды позволяет с удовлетвори-юй точностью оценить высоту волн и нагрузки на волнопродукторы при іировании длинных волн умеренной амплитуды h < 0.2d. Однако процесс :ироваяия и профиль волн значительной высоты можно описать лишь с уче-іеяинейньгх її дисперсионных эффектов. Такие расчеты были выполнены в ах нелинейно-дисперсионной модели типа Буссинесха. Получено, что вол-зльшой нысоты асимметричны. Кроме того, следует отметить образование гчных гармоник при генерировании волн большой амплитуды, которые мо-:ушественно снизить качество генерируемого волнения. Поэтому в случае содимости получения качественных волн относительно большой амплиту-олнопродукторы устанавливают в приямках, тем самым уменьшая эффекты зейности. В лабораториях, оснащенных управляемыми волнопродуктора-южно получить качественные волны большой амплитуды без использования мков, путем привода щита волнопродуктора по специальному закону, при ко-м исключается образование вторичных волн. Этот закон может быть найден :риментально илипеоретически.

Зыбор методики физического моделирования динамики рельефа дна в значи-юй степени-зазислт от крупности наносов.

Іри воздействии волн на галечные пляжи гидродинамические силы, воздей-ощііе на частицы наносов, пропорциональны квадрату скорости и, следова-

тельно, для обеспечения подобия переноса наносов на модели достаточно обеспечить подобие волнения по Фруду, геометрическое подобие модели и геометрическое подобие наносов, причем плотность материала наносов на модели и в натурных условиях должна быть одинаковой. Необходимым условием является также выбор такого геометрического масштаба, при котором течение на модели протекало бы в режиме развитой шероховатости. Как правило, в качестве минимального масштаба принимают такой, при котором диаметр частиц наносов в лабораторных условиях по аналогии с русловыми задачами был бы не менее 2 мм (И.И. Леви). Но известны и работы (Камфуис, В.П. Мальцев и Э.В. Иваненко), из которых следует, что для течений с повышенной турбулентностью, в том числе для течений в прибойной зоне, допустимый диаметр частиц, слагающих размываемое основание модели может быть уменьшен. Для изучения этого вопроса было проведено несколько серий масштабных опытов, в которых исследовалось поперечное и вдольбереговое движение крупнозернистых наносов в прибойной зоне. Целью исследований было определкние минимального значения параметра D\JJ<$u!iw(pi- (средняящр$штсть,нададда, h - высота, волк на линии обрушения, v - кипкмашгяеакая дашншшь жидкости;),, пртг котором шзжнта пренебречь влиянием молаїйріярноій нязкасхшна перенос нависов. Отметин, что этот параметр явля-еетщаналогоіжчишгаіЕ«йнольдса,.таакзак величина у/ЦК характеризует скорость

Дкдкмввсттдрд пещшыом дишта?оне шредеяякацш: параметров исследования показали^ что процессьтпкрвяоса галечных наносов в прибойной зоне достоверно воспроизводились не только в крупномасштабных, но и в мелкомасштабных опытах, когдавысота волн по> линии обрушения была около 3 см, а средняя крупность наносов 015 мм. Поэтому можно сделать вывод, что моделирование динамики галечных пляжей допустимо проводить при существенно меньших, по сравнению с общепринятыми, геометрических масштабах. В качестве минимального можно рекомендовать масштаб, при котором

Такой подход позволит значительно снизить материальные затраты и время на выполнение экспериментов, либо моделировать береговые процессы на достаточно протяженных участках береговой зоны.

Гидравлическое моделирование движения мелкозернистых (песчаных) наносов, как было отмечено, возможно только с использованием методов приближенного моделирования. В данной работе основное внимание уделено разработке

методики с применением на моделях в качестве размываемого материала натур
ного песка. -'.._.-_"'.'.'.".".:'". '

С целью получения масштабных соотношений для геометрических размеров
берегового склона и времени обработки модели волнением были проведены-до
статочно-продолжительные опыты по формированию песчаного пляжа в широком
диапазоне изменения определяющих параметров. Исходные величины в основной
серии опытов приведены в табл.1. : _

Таблица 1

В этой таблице і - исходный уклон песчаного откоса; Во - ширина песчаного
эткоса; d - глубина воды перед основанием откоса; t - время обработки песчаного
іткасл. зл-от/аскедл. С чшявгияпкм. aa.rtnzafia. 'агы.соты золя qj начальный уклон
>ерегояото скяглнза определядссаг па формплге —і..- .

t = J» аГ/fl.4 ,

де tg - укггон исходной отсылки з опыте No 5, а в качестве-масштаба времени юработки модели волнением a_t принята зависимость (Велинга)

<*« = \А*А (")

'редяяя крупность песка в исходной отсыпке во всех опытах была примерно оди-аковой: D = 0.28 - 0.30 мм.

Опыт No 5, для которого потребовалось более 1000 м³ песка, был проведен большом волновом лотке Днепродзержинского отделения ВНИИГ им. Б.Е. еденеева совместно с группой волновых исследований.^-возглавляемой В.X. Да- - тетшит'ым, а остальные в волновом лотке Черноморского отделения ЦНИИС.

Основные параметры большого волнового лотка следующие:

длина - 100 м; _ - -

ширина - 4 м;

высота стенок - 7 м;

рабочая гду^аитА -. -. - до 5.5 м; -

высота генерируемых волн - до 2 м. " ~~~

После окончания опытов профили подводного берегового склона были идентичными. Полученные данные позволили оценить масштабные зависимости для ширины а/ и высоты ад пляжа

он и dh , IS)

а,*а\^м . (9)

Погрешности определения показателей степени масштабных функций с доверительной вероятностью 80% не превышают ±0.0S.

Зависимости (8),(9) в пределах их точности согласуются с зфедтвжзегаыыи в работе Велинга. Однако следует отметить тот факт, что относительные деформации берегового склона, в зоне мористее подводного песчаного вала после окончания мелкомасштабных опытов (N,⁰ 1, № 2) были больше, чем после окончания крупномасштабных (№ 4, № 5). Естественно лредоолейнигъ, не я&ляеясх. зв>. этот результат следствием неправильного выбора масштаба времени обработка модели волнением (7), т.е. не соответствуют ли полученные профили различных фазам развития? Чтобы проверить данное предположение, были проанализиро ваны профили берегового склона в опытах № 1 - 5 после обработки волнение* исходного откоса в течение времени,определенного в соответствии с зависимо

стью -- - - - - "~-'

a_t = оси . I¹⁰

Продолжительность опыта № 5 была выбрана той же - t = 50 час, а врем; других опытов равнялось № 1* - t — Зчас Пмин; № 2* - t = очас 21мйн; № 3* -= 9час ЗЗмин; № 4* - t - 12час 44мин.

После статистической обработки экспериментальных данных получено, чті зависимости (8), (9) справедливы не только для размеров пляжа, но -и-для бере гового склона мористее подводного песчаного вала.

Следовательно, проведенный анализ дает основание рекомендовать в кач« стве масштабных зависимостей для геометрических размеров песчаного.береге вого склона и времени обработки его волнением соотношения (8) - (10)."" '~~~ '

Для работ, посвященных исследованию вдольберегового движения песчаных
лосов, характерным является разработка или уточнение какой-либо полуэмпи-
гческой зависимости. Относительно мало внимания уделяется изучению гидро-
шамических процессов в прибойной зоне и обоснованию методики лаборатор
но эксперимента. Так, на основании проведенных ранее опытов нельзя уста-
івить масштабную зависимость для вдольберегового расхода песка, поскольку
.рактерные параметры в этих опытах изменялись произвольно. С целью получе-
[я такой масштабной оценки были проведены экспериментальные исследования
іольберегового транспорта песка в прибойной зоне при изменении абсолютных
раметров волн в соответствии с критерием Фруда. . - -

Опыты по изучению вдольберегового движения песка выполнялись"в волно-м бассейне, оснащенным передвижными волнопродукторами. Береговой склон роился сначала с бетонным покрытием с профилем, близким профилю подвод-го берегового склона при наиболее сильном волнении, а затем на него отсыпал-песок толщиной 10 см. Длина модели вдоль берега составляла 20 м, ширина 2 м. Глубина воды в бассейне равнялась 0.5 м. Ловушки наносов устанавли-лись в 5 м от низового граничного створа. В качестве наносов использовался арцевый песок с удельным весом 2.65 г/см³ и средней крупностью 0.28 мм.

В опытах измерялись:

высота волн до их подхода к береговому склону и по линии обрушения;

направление волнения относительно береговой линии;

профиль берегового склона; _" : ' "~

скорость вдольберегового течения, формируемого волнением в прибойной не; ' -

крупность песка в различных точках берегового-склона;.

расход взвешенных и влекомых наносов;

- суммарный объемный и массовый вдольбереговой расход наносов.'
Высота волн измерялась с помощью емкостных волнографов, направление

лнения на береговом склоне определялось с помощью фотосъемки, профиль регового склона - с помощью нивелира. Для измерения осредненной-вдояьбе<- — говой скорости течения в прибойной зоне использовался блок микровертушек, упность наносов определялась ситовым методом.

Новым в данной работе было применение ловушек песка. отдельно для вле-.іьіх и взвешенных наносов, что позволило впервые экспериментально оценить ню этих наносов в общем вдоль береговом потоке.

Ловушка для влекомых наносов представляла собой узкую траншею, накры-

тую сверху пластиной с прорезью.- Поверхность пластины примерно совпадала с поверхностью песчаного пляжа, ширина траншеи была 25 см, глубина - 20 см и длина 4 м. Длина траншеи выбиралась-Стаким расчетом, чтобы пересечь по ширине весь движующийся поток песчаных наносов, а глубина и ширина выбирались из условия обеспечения ддк<«лйни»-невбходимего--о&ьема песка. Ширина прорези равнялась 1 см. Такая прорезь обеспечивала улавливание ьеска, движу-щегосяу днав слое толщиной не более 3-4 мм, т.е. порядка 10 диаметров песчаных частиц. По данным измерений скорость вдольберегового течения в опытах была 15-30 си/с, крупность песка в прибойной зоне - 0.3-0.5 мм. Следовательно, время движения наносов над прорезью'равнялось 0.03-0.07с. За это время, учитывая, что скорость осаждения в воде частиц песка равнялась 3-5 см/с, в ловушку через прорезь могут попасть частицы из слоя толщиной не более 4 мм. Наносы, движущиеся в основной толще потока воды, т.е. взвешенные наносы, не осаждались в этой ловушке.

Дмж оперативного, проведения измерений объема и веса песка, уловленного ловушааоаі, шжгажъзювашиЕь ^ЕПЕПиавъные е.іюстк. ОФьем осаавденвых. в павушке наносов іпиределдлся; с пимсттцквв мерной емкости, авес- спомощью динамометра.

Сразу 33L ловушкой для влекомых наносов устанавливалась ловушка для взвешенных нанесет. Этадовуптва. представляла совой траншею шириной 1.5 м, длиной 4ски тиуЗкасй Ь.1 ж. На дао трангаси усганазтезались ьсеталкические поддоны;,, на котларзаж осаждались наносы. Сверху траншея закрывалась решеткой из реек треугольного сечения со стороной около 2 см. Расстояние между рейками было 2-3 мм. Решетка играла роль ложного дна.Она не препятствовала осаждению взносов, но исключала искажение характеристик вдольберегового течения и, следовательно, вдольберегового потока наносов у ловушки.

Подпитка наносами в верховом граничном створе осуществлялась путем подачи в зову обрушения волн песка, уловленного ловушками.

Исследования на пространственной модели были проведены при 4-х волновых режимах и 3-х углах подхода волн—Соответствующие ЗНаЧеНИЯ ВЫСОТЫ rlcr, периода Т и утла подхода 0_СГ волн по линии обрушения приведены в табл.2.

Таблица 2

N- - б; 7 8 9 10 11 12 13 14 15

опыта-'- tv't-——
. . h„_r: ..' 3.50-3.50 7 7 7 14 14 14 21 21

... см ""'-..._ '.'"._ T, .:-" 0.32 - .0.82. 1.15 1.15 1.15 1.63 1.63 1.63 2 2

ЄсгГ 15.5 24. 12 15.5 24 12 15.5 24 12 15.5

- град..-:--"" -

Результаты измерений суммарного расхода наносов приведены в табл. 3.

Таблица 3

N б 7 8 9 10 11 12 13 14 15

опыта

Q.-10⁵, 0.2 0.28 1.24 1.3 2 2.4 3.1 4.7 9.4 9.7 -хг7с--

Q_m-10², 0.37 0.52 2.3 2.4 3.7 4.5 5.7 8.8 17 IS кг/с

Следует отметить, что в опытах наблюдалось существенное (до 50% от среднего) колебание "мгновенного" вдольберегового расхода песка во времени. Эффект неравномерности вдольберегового расхода песка во времени наблюдался также в лабораторных исследованиях других авторов (Халлермейер) и натурных условиях. (В.В. Лонгинов).

Интересным является вопрос о соотношении влекомых и взвешенных наносов
во вдольбереговом потоке. Выполненные исследования позволили оценить это
соотношение. Полученные результаты при 0_СГ = 15.5 приведены в табл.4, где
Qs и Qs расход взвешенных и влекомых наносов; Q = Qs т Qb - суммарный
расход наносов. _

Таблица 4

;. Л_ег, см 3.5 7 14 21

Qs-10³, м³/с 0 0.3 0.8 3.4

Q_s-10⁵,M³/c 0.2 1 2.3 б.З . -' - .

Q-10br7c 0.2 1.3 3.1 9.7

Qs/Q 0 0.23 0.26 0.35

Из'представленных "результатов можно сделать вывод,' что в лабораторных условиях песчаные наносы движутся, в основном, вблизи дна - в слое толпцшои до 4 мы. Даже при -наибольшей высоте волн =21 см расход взвешенных наносов составлял 35% от суммарного. Конечно, эти данные не дают оснований судить о характере движения песчаных наносов в натурных условиях. Однако следует отметить, что оценки соотношения влекомых и взвешенных наносов для больших высот волн, расчитанные путем экстраполяции результатов опытов, удовлетворительно "согласуются с оценкаюі И.О. Леонтьева.

Экспериментальное изучение вдольберегового расхода песка было выполнено при одном и том-же значении параметра h_CTjgT², который является аналогом числа Фруда. И, следовательно, проведенная серия опытов фактически являлась масштабной. Если лабораторные данные сопоставить с данными натурных исследований при соответствующей величине Ji_cr/gT², то можно получить зависимость для масштаба вдольберегового расхода наносов. Лля анализа были использованы результаты настоящей работы, лабораторные данные Витэйла, Шея и. Джонсона, Фэёрчайлда, а также натурные данные Q.B. Войцеховича, полу-чвнныеж) вуеижпкташг рга5»огй« Огв^іо-лкяжяшіїиг ЕоЬе^иккьг: 'Чернит моря: в течение ШБСГ - lffibtrr".. В' качестве характерной нысптъг й^- в натурных условиях принятавысоза ваян: 10.- 15% обеспеченности,, а периода Т- средний.

В псз?Льх&Т: ста.'гш.'шчеснпй ссбрайолкш чнгт.ч.тттутетр,, -^gxcs при постоянных 2?л ^hcAiQ^ ^¹ ЄЬг-ЗиапзпгаоЕа^я зЕвжаяіазсіБ. ,дадя .;$^;ik5viX,rc» ^ 15gT*^a .dtdx*) ' ^K

чевидно, что решение дифференциального уравнения пятого порядка(19) явля-:ся достаточно сложной задачей. С целью упрощения расчетов предположим, го:

- при прохождении впадины волны

\ЬдТ% cKdx* dtdx* '

Рис. 2 Распространение волн над подводным откосом - при прохождении гребня волны

.«-І2І

дідх- дх*

dtdx*

Л²- dtdx¹ '

где А - длина гребня волны. Обозначим d_p ---размерная глубина.

Предположим, что в прибойной зоне соотношение <Й/А² пропорционально соответствующему выражению для уединенной волны максимального возвышения.

.26 . ..'.. -- ^---,-- , -

Примем'Jp/A" равным 0.3. Тогда уравнение (19) можно представить в виде

dt дх дх у dо d + T]

" *(1-М*)|^ (20)

3gT* ^к 'dtdx²

В этом уравнении к - параметр, который равен нулю при прохождении впадины волны и единице при прохождении гребня волны, если высота волны в данной точке близка к максимально возможной - например,при h > Q.6d (h - высота волны). Если же h < 0.6d, то параметр к принимается равным нулю. Кроме того, при достижении критической крутизны волны, дисперсионный член в зоне переднего склона гребня волны не учитывается. Таким образом, при подходе волн к прибойной зоне роль дисперсионного члена снижается, нелинейные эффекты начинают превалировать над дисперсионными, профиль волн приобретает асимметричный вид и трансформация его по мере продвижения волны к берегу качественно согласуется с данными наблюдений.

" С использованием предложенного метода численно была решена плановая задача о взаимодействии волн с плоским, однородным по длине подводным откосом с уклоном г = 0.09. Угол подхода волн к берегу был задан равным 18, глубина воды у основания откоса do — 0.36 м, исходная высота волны h = 0.1 м, период Т =.3 с.

Результаты расчета осредненного за период поля течений представлены на рис. 3. Можно видеть, что вблизи берега от линии уреза до глубины d ~ 0.1 м сформировалось вдольбереговое течение. Это удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.

Таким образом, предложенный метод позволяет рассчитать в прибойной зоне "трансформацию волн и вдоль береговые течения без привлечения дополнительных гипотез о радиационных напряжениях и диссипации энергии волн.

В четвертой главе рассмотрен вопрос о пограничном слое, формируемы;.! волнением на подводном береговом склоне. Эта задача неразрывно связана с задачей устойчивости берегового склона при фронтальном штормовом волнении.

В работе, на базе обширного экспериментального материала, полученного автором, анализируются особенности статистически нестационарных пристен-" ных турбулентных течений и различные подходы для описания таких течений.

Уравнения Рейнольдса для плоского пограничного слоя можно записать в

Рис. 3. Осредненное поле течений в прибойной зоне

виде

ди ди ди_ }_др д < и'² > dt дх dz р дх . дх

ґд²и 5²цЛ д < tt'w^! >

^+V\Jh?^dl*) ~ dz '.

ди dw dx dz

(21) (22)

- вертикальная координата;

p - давление;

n - плотность;

u,w - горизонтальная и вертикальная компоненты скорости;

v - кинетическая вязкость жидкости;

и',w' - пульсации компонент скорости;

О - оператор осреднения.

Поскольку толщина пограничного слоя S при волнении существенно меньше глубины воды (Косьян Р.Д., Пыхов Н.В.) и длзішл волвы, то можно пренебречь конвективными членами по сравнению с локальньпіиіі!нерт5іоЕНіагизг.зззііегением кинематических характеристик по гор\тзонтая2*во2 оси.. При этих згредпо лишениях уравнение (21) сугцествеяно упрсхпзетгя

Зи 1 др д²и д< u^wl > . .

W⁼-_P^^+V^-- dz ⁽²³⁾

Ж-ри тіечении в -режиме развитой шеражоэазастл'г япзнгие натгрнкжпвр с.угде-;т2еннп::меніьше турбулсна-шяхжас:атеяьішгхя^апря>кенлй,.ггозтому:йС':-жіго2вітісать

ди _ 1 dp д<\цІуіІ >

~dt~~~p!h~^ dz.. . ^{~ '

ЗІтрз^тем

- < Jw¹ >=^-^ = c^VeZ , (25)

где є - энергия турбулентности;

І - масштаб турбулентности;

с_м - константа. Уравнение длят энергии турбулентности .в пограничном слое при принятых предположениях, можно записать в виде (Васильев О.Ф., Кэон В.И.)

де д де Ґди\" є . .

d~t=Tz^ClUTd: ^{+ UT}{-ol) ~^C2p' ⁽²⁶⁾

где c\, C2 - константы.

Масштаб турбулентности l зададим в виде функции от вертикальной коор
динаты - - -

/ '-² -'--³ '-^⁴

_s-i+^m^w ^+с_лю ⁽²⁷⁾

где 5 - толщина пограничного слоя.

- .-- --Установлено, что математическая модель типа (23),(25)-(27) при
с,, = 0.2; - . сі = 0.4; с₂ = 1.57;

^: __. cz --1.02; с₄ = 0.52; с₅ = -0.13, "достатсшо хорошо описывает распределение скорости и энергии турбулентности в случае однородного по длине нестационарного турбулентного течения в канале. Поэтому можно ожидать, что она применима и для расчета нестационарного пристенного турбулентного пограничного слоя.

С целью проверки были выполнены расчеты турбулентного пограничного -слоя над шероховатым дном при гармоническом колебании скорости жидкости _во внешней области. При атом задавались следующие граничные условия: на дне при z = zo = к, /30

и = 0, де/д: = 0 , (28)

на внешней границе при : > S

^7=0, * = », &э?

где к, - линейный размер элементов донной шероховатости. '. Толщина пограничного слоя определялась по формуле

где С/о - амплитуда колебаний скорости жидкости во внешней области.

Результаты расчетов были сопоставлены с экспериментальными данными Самера, Слиса и др. Получено, что математическая модель (24)-(27) в широком диапазоне определяющих параметров хорошо описывает распределение скорости и энергии турбулентности в нестационарном пограничном слое над шероховатым дном.

В качестве примера выполнен также расчет пограничного слоя на плоском

шероховатом откосе при фронтальном волнении при следующих данных:

глубина воды у основания откоса do = 3 м;

уклон дна г = 0.09;

глубина воды в расчетном створе d = 2 м; т высота волн в расчетном створе h = 0.8 м;

период волн Т = 5 с; .

линейный размер элементов донной шероховатости к, = 5 мм.

Эта задача решалась в два.этапа. На-первом этапе решалась задача трансформации волн на подз'одно'1 береговом склоне з рамках нелинейно - дисперсион-гой модели. ТЗ результате определялись профиль свободной поверхности, скорость и давление. На втором этапе найденная зависимость для градиента давле-пм др/дх з расчетном створе использовалась как заданная функция на внешней границе пограничного слоя и решалась задача (24)-(30). Получено, что абсолютное значения скорости и энергии турбулентности под гребнем существенно пре-зышают соответствующие характеристики под впадиной. Это можно объяснить гем; что профиль волны в-зядаяном створе также асимметричен. Знал характери-;тики течения в придонном слое, можно оценить направленность и интенсивность цвижения донных наносов.

В пятой главе обсуждаются вопросы взаимодействия волн с сооружениями различных типов: непроницаемыми и проницаемыми. Расчеты волновых нагрузок на непроницаемые гидротехнические сооружения, установленные в прибреж-їой зоне моря, предлагается проводить в рамках нелинейно-дисперсионной модели (12),(13). Путем сопоставления теоретических и экспериментальных данных показано, что такая модель с удовлетворительной точностью позволяет рассчитать трансформацию волн даже относительно большой амплитуды л .волновые нагрузки. В частности, теоретически описывается эффект раздвоения "гребня" нагрузок на вертикальную стену при большой амплитуде волн.

Ляг уменьшения штормового воздействия на берега широко применяются проницаемые прикрытия из камня или фигурных блоков. В последние годы наряду с традиционнымк-прикрытиями в практике берегозащитного строительства все чаще применяются относительно тонкие проницаемые конструкции с волновыми камерами. Как показали исследования, такие конструкции в сочетании с прислоненным пляжем, даже при дефиците наносов, позволяют надежно защитить коренной берег и создать рекреационную зону. Вместе с тем следует отметить, что работ по обоснованию методов расчета оптимальных параметров проницаемых конструкций и волновых нагрузок на них относительно мало. Не отражены они и в нормативнон_др_ку:іг;гхашіп.

В работе в линейной и нелинейнойтгостаяовкаэ: -растапттреїт задача о взаимодействии волн с различными типами проницаемых сооружений:

наброской с неизменной по высоте шириной:

затопленным волноломом или траншеей прямоугольного сечения;

тонкой проницаемой стенкой.

Принято, что-за этими-сооружениями перед береговой границей с коэффициентом

отражения V'3 находится волновая камера шириной Ь.

Для проницаемой наброски с волновой камерой зависимости для коэффициента отражения |tt'i| и коэффициента прохождения |аз/аі| волн имеют вид

\Фі

1 _ _а2 _ (і _ а)²ф₃с-^2ікь -(1- а²)-^2іі>' + (I-f а)²^зе^_:"⁽"^+ы)

(1 _{+ a}f _ (і _ _а2)ф_зС-їікЬ _ (J _ _Qy_t-2ik₂\ ₊ (_Х _ _а2^_зЄ-2.(*б+Ь0

(31)

(1+ &)(! + &)

(32)

где аі - амплитуда подходящих волн;

аз - амплитуда прошедших волн;

V>2 = (-(1 -о)+(1 + а)ф₃е-^іікь)/(і + а - (1 - а)^зе-^2ііь) ;

a = kn/ki ;

/: = u/y/gdo - волновое число;

и> - круговая частота;

do - глубина воды;

п -.пористость;

I - ширина эьр*еза;

к_г = к_%/1+е(1-п)-i(pfv}, ;

є - коэффициент присоединенной массы;

/J - линеаризованный (размерный) коэффициент еопротивлеяия наброски.

В частных случаях, при ф₃ = 0 и $j = 1, полученные репіениа согласуютса с результатами Кондо.

Для затопленного волнолома или подводной траншеи формулы для коэффициента отражения и коэффициента прохождения имеют тот же вид, что и формулы для проницаемой наброски (31),(32). Однако в втом случае коэффициенты аи Ь определяются по зависимостям

/57

...... _{h =}

где а*2 глубина воды над волноломом или траншеей.

Коэффициенты \фі\ и |a/di| при взаимодействии волн с относительно тонкой проницаемой стенкой определяются по формулам

\М =

(33)

р-(0-2)ф₃е-^ШІ

-2ікЬ

2 + р-Рф₃е

(34)

(i-уч)

е^ікь — ф₃е-'^кь

/3= y/g/d₀-(ni +tiw) ;

^i - линеаризованный (размерный) коэффициент сопротивления проницаемой стенки;

i - коэффициент (размерный) присоединенной массы. В частном случае, при tfa = 0, получим

і ОІ її Д| + 1

(35)

W^s5h7- ' ^(3G)

Достоверность теззретическихзашигзимостейзіріівкршв.азь m-тем хмпоставле-ния с таондгстланхатшпыми давшими. Полутенго, "чзсэ щри лумлренной аїлатих \де згозгн -резушкзЕззза jarasrro» ні; Sonee. *ш»з лы. 'S) $' одтлиуатиюь акт вкщндниенпаіль-

НЫХ.

Применение линейной теории.мелкой водыдля расчете воздействияшалн на
сооружения правомерно литттъ дри озтнаситеагасгі сслабомнолшении. Лкнпжочет-
ных тпзшгрмгш уедкоишанторле.иапзгіітірггдігазпжевпие т> хвааястп амплвцлудЕ' а<отін
не выполняется. Поэтому в ответственных случаях расчеты следует "выполнять
с использованием математических моделей более высокого уровня, в частности,
нелинейно-дисперсионной. При этом вне зоны сооружений следует решать систе
му уравнений (14),(15), а в зоне проницаемых сооружений систему (в безразмер
ном виде) - - -г

1 + 1^(,+^0, -; (37)

4 ( ~Зд72У

&v dd /F-Fi»" _f,„x

^d да⁺"&й& ⁺ га?~at)~^ui5Td+^; -V^а*'

где f - коеффициент сопротивления проницаемого сооружения единичной ширины.

Решение уравнений (14),(15) и (37),(38) выполнялись численно. Разработанная программа позволяет решать следуюпще задачи:

- расчет трансформации волн на береговом склоне с произвольным рельефом
дна; - ........ -.- -.-- , ^

, - расчет.волновых нагрузок на сплошную стенку;

- - расчет взаимодействия волн с проницаемым сооружением с волновой каме
рой! ^: _..

Достоверность математической модели оценивалась на основании результантов экспериментальных исследований. Установлено, что в широком диапазоне параметров волн расчетные волновые нагрузки на сооружения различных типов ^"погрешностью не более 5-7% согласуются с измеренными.

В диссертации обсуждаются также вопросы воздействия обрушающихся воли па проницаемые сооружения и на вертикальную стенку.

-В шестой главе рассмотрены вопросы влияния проницаемых сооружений и неоднородностей рельефа дна на береговые процессы.

Эффективным способом уменьшения штормового воздействия на берега является использование проницаемых набросок из камня или бетонных блоков. Но такие сооружения требуют большого объема строительных материалов и, кроме того, нередко ухудшают природно- ландшафтное состояние береговой полосы. Более рационально применять относительно тонкие перфорированные стенки с волновой камерой. При оптимальных параметрах проницаемой стенки и волновой камеры можно обеспечить эффективное гашение волн при.минимальной отражающей способности сооружения. В этом случае существенно снижается вдоль-оет^гоао-д >,-> сг.о:: Л2Л0СС2 ;; у Сооружения образуется надводная волногасящая лляжная полоса, которая может быть использована з рекреационных целях.

Методы расчета волновых нагрузок, гашения и отражения волн, позволяющие определить оптимальные размеры проницаемых сооружений рассмотрены в предыдущей главе.

С целью экспериментальной оценки влияния проницаемых конструкций с волновой камерой на динамику пляжевых наносов были проведены опыты на пространственной модели в волновом бассейне. Испытывались три вида берегозащитных cooiiy'-Ksisai:

свободный пляж полного профиля;

сплошная стенка;

откосно-ступенчатая конструкция сквозностью 0.4 и шириной 0.23 м. Сооружения устанавливались морской гранью на урезе расчетного уровня моря. Дно модели было размываемым. В качестве наносов использовался песок со средней крупностью 0.3 мм. В бассейне генерировалось регулярное волнение с высотой волн по линии обрушения h_cr = 0.1 м, периодом - 1.47 с. Угол подхода волн к линии обрушения составлял 30. Продолжительность опытов составляла

8 часов. В процессе экспериментов через каждые 2 часа осуществлялось взвешивание наносов в ловушке и возврат наносов в верховую сторону модели.

В табл. 5 представлены экспериментальные значения вдольберегового расхода наносов.

Таблица 5

No опыта

Тип конструкции

Свободный пляж-Сплошная стенка Откосно- ступенчатая проницаемая

Средний вдольбереговой расход наносов, дм³/час

70.2

Из полученных результатов следует, что испытанная проницаемая конструкция снижает вдольбереговой расход наносов по сравнению со свободным пляжем на 25%. Кроме того, необходимо отметить, что в отличие от волноотбойных стен, вблизи которых приводнении образуется яма размыва, проницаемые сооружения способствуют "подтягиванию" наносов к берегу с подводного берегового склона. Поэтому даже при дефиците наносов у сооружения формируется надводная пля-жевая полоса, которая в свою очередь снижает волновое воздействие на берег.

Наряду с сооружениями в практике берегозащиты широко применяются искусственные свободные пляжи. Для таких пляжей не требуется дефицитных строительных материалов, они, как правило, улучшают санитарное состояние прибрежных акваторий и сохраняют береговые ландшафты в естественном виде. Однако для свободных пляжей полного профиля необходимы значительные объемы пляжеобразующего материала на первоначальную отсыпку и подпитку в течение планируемого срока эксплуатации. Это требует изыскания и строительства карьеров для добычи инертных материалов и доставки их (часто на значительное расстояние) на защищаемый участок берега.

Для уменьшения волнового воздействия на береговую зону на подводном береговом склоне параллельно линии берега можно создать траншею, материал из которой использовать для отсыпок пляжа.

В третьей главе было показано, что подводная траншея частично отражает волны и, кроме того, вызывает "развал" гребней волн большой амплитуды, т.е. способствует снижению воздействия волн на берег.

Экспериментальная проверка влияния траншеи на транспорт наносов была

проведена в волновомбассейне. Модель представляла-со.бойбереговой склон і
параллельными изобатами, отсыпанный из песка со'средней крупностью 0.22 мм
Траншея в сечении имела форму треугольника и проходила вдоль бер'еговогч
склона вне прибойной зоны. . " ' "'""" " ' '

Сравнение результатов опытов, проведенных с траншеей Итбез неё показало что при определенных условиях, подводная траншея способствует уменьшеник вдольберегового расхода наносов почти в 3 раза. .-

Влияние традиционных гидротехнических сооружений (молов,-бун, волноломов) на вдольберегрвые процессы достаточно детально исследовано как теоретически, так и экспериментально. Менее полно изучен-вопрос о влиянии неодно родностей.дна. являющихся местом стока наносов - каньонов, судоходных каналов, карьеров для добычи инертных материалов и др. По-видимому, одной из причин недостаточной изученности этих процессов является неявное предположение, что влияние стока наносов на деформацию прилегающей береговой зоны будет примерно таким же, как и влияние поперечных сооружений, т.е. размывы произойдут на низовом участке, а верховой будет устойчив. Однако такая схема процесса является верной в случае однонаправленного потока наносов. На морском побережье процессы движения наносов имеют ряд особенностей. Одной из таких особенностей является возможность вдольберегового движения наносов в различных направлениях, в зависимости от угла подхода волн. Это обстоятельство приводит к качественному изменению характера .эволюции берега вблизи стока наносов.

Рассмотрим следующую задачу . В начальный момент времени t = 0 имеем прямолинейный участок берега с однородным по длине береговым склоном. Примем, что ось-г совпадает с линией уреза при t = 0. Пусть в сечении х = 0 расположен локальный сток наносов. Таким стоком наносов может быть пересекающий прибойную зону судоходный канал, примыкающий к берегу каньон или открытый в приурезовой зоне карьер для добычи инертного материала. Требуется определить положение линии уреза 6 = Ь(хЛ) при воздействии на данный участок берега волнений различных направлений и продолжительности. Эффекты дифракции и рефракции волн, обусловленные неоднородностями дна у места стока налосов, не учитываем.

Уравнения для линии уреза, полученные из закона сохранения массы, может
быть записано в виде (В.И. Вечорек) - -

~Я-1?± < (39)

-- ; Л_ 1" dQ

^: Н[1+(дЬ/дх)²] 99

Н - суммарная высота надводной и подводной части пляжа;

9 - угол подхода, волн к берегу по линии обрушения; Q - вдоль береговой расход наносов (задается по эмпирической зависимости).

В сечении 2=0 функция Ь имеет разрыв 1-го рода, поэтому в этом сечении задаются условия сопряжения, которые учитывают направление режима волнения и относительный расход осаждающихся наносов.

На рис. 4 иллюстрируются .результаты расчета, линии берега в окрестности стока наносов после серии штормов различной продолжительности t,_t и направления волн в{, характеризующимися следующими параметрами:

h_cr, м 9{, град t_st, суток

3 20 б

Принято, что &і > 0, если фронт подходящих волн образует с осью х острый угол, и в < 0, если угол тупой.

Сплошной линией на рис. 4 показаны результаты расчетов для случая полного осаждения наносов. в^:месте~их стока, а штриховой для случая пятидесятипроцентного осаждения наносов".

Из приведенных- данных следует, что несмотря на то, что осредненный по трем штормам вдольбереговой поток волновой энергии направлен по оси х , эрозия берега от места стока наносов распространяется не только по направлению этого потока энергии, но и в противоположном.

Таким образом, при исследовании эволюции морских подводных береговых склонов в окрестности естественных или искусственных неоднородностей дна, являющихся местом стока наносов, необходимо учитывать не только среднемно-голетний вдольбереговой поток волновой энергии, но и его составляющие по направлениям.