Вопросы защиты искусственных территорий в морских акваториях от штормовых размывов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопросы защиты искусственных территорий в морских акваториях от штормовых размывов

Е.С. Волкова - аспирантка Филиал ОАО ЦНИИС «НИЦ» Морские берега»

Строительство искусственных территорий и островов в мире имеет долгую историю. Так, уже в 1634 году в Японии был построен искусственный остров Деджима. Этот остров служил морским портом для голландских торговых судов. С тех пор в мире построено уже несколько десятков островов для самых различных целей - для размещения морских портов, аэропортов, для проведения Олимпийских игр, жилой застройки и прочее.

Рис.1. Макет искусственных островов в Бахрейне [4]

Рис. 2. Модель в волновом бассейне искусственной территории и пляжа под прикрытием каменно-набросных бун в г. Анапа

В нашей стране имеется опыт строительства искусственных, выдвинутых в море территорий. Результаты научных исследований и практический опыт создания таких территорий на ряде участков Черноморского побережья убедительно показали возможность и технико-экономи-ческую целесообразность их строительства не только для стабилизации оползневых процессов, но и для использования искусственно созданных территорий в качестве приморских бульваров, набережных и прочих объектов городской инфраструктуры.

Наиболее распространенной конструкцией искусственно создаваемых территорий является набросное волногасящее сооружение, выполняемое из фигурных массивов (тетраподов, гексабитов и т.п.) или крупного камня.

Рис. 3. Модель «Острова Югра» в волновом бассейне НИЦ «Морские берега»

Однако применение набросных сооружений в курортных зонах ведет к непригодности рассматриваемых территорий в рекреационных целях, так как они не только плохо вписываются в береговой ландшафт, но и представляют серьезную опасность для отдыхающих. Наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к курортным территориям, волногасящая конструкция в виде искусственного пляжа. Морские пляжи являются одним из самых привлекательных мест отдыха. Одновременно они выполняют волногасящие функции, обеспечивая во время штормов защиту берега и расположенных в береговой полосе сооружений и коммуникаций.

а) б)

Рис.4. Возможные примеры создания искусственных островов в г. Сочи: а) Макет островной марины «Хомар»; б) Макет острова «Федерация»

Учитывая нарастающий интерес к проблеме возведения искусственных островов и полуостровов, задача о создании на искусственно образованных территориях пляжных комплексов, является своевременной и актуальной.

Нормативной методики проектирования волногасящих пляжей на искусственных территориях не существует.

Для искусственных территорий характерно расположение границы сооружений со стороны моря на существенной глубине, а это значит, что волнозащитная конструкция должна противостоять значительным динамическим нагрузкам и исключать возможность заплеска штормовых волн на защищаемую территорию.

Задача решалась методом физического моделирования. Этот метод эффективно применяется в гидротехнике, когда ввиду сложности протекающих процессов, получение достоверных теоретических результатов связано со значительными трудностями.

Согласно теории подобия, изучать на модели процесс гидродинамического воздействия на гидротехнические сооружения следует при обеспечении геометрического подобия модели натурному объекту и подобия силовых многоугольников, то есть необходимо обеспечить равенство всех определяющих критериев. В общем случае выполнить все эти условия практически невозможно. В частности, если на модели используется та же жидкость, что и в натурных условиях, то нельзя обеспечить подобие по числам Фруда и Рейнольдса [3].

Однако для некоторых классов задач, имеющих важное практическое значение, не требуется подобие по обоим параметрам. Одним из таких классов задач являются течения со свободной поверхностью, когда влияние сил вязкости несущественно. Примером является распространение волн на свободной поверхности или взаимодействие волн с непроницаемыми сооружениями. При экспериментальном исследовании таких процессов достаточно обеспечить геометрическое подобие и равенство чисел Фруда. При исследовании волн на поверхности несжимаемой жидкости критерий Фруда может быть записан в виде

где h - высота волн; g - ускорение свободного падения;

Т - период волн [1].

Ограничения по параметрам волн обусловлены необходимостью исключения заметного влияния молекулярной вязкости и капиллярных эффектов.

Другой, не менее важный класс задач включает случаи, когда влияние вязкости существенно, но молекулярной вязкостью можно пренебречь. Это течения с сильно развитой турбулентностью при больших числах Рейнольдса. К их числу можно отнести задачи о взаимодействии волн с обтекаемыми преградами, проницаемыми сооружениями и задачи формирования пляжей из крупнозернистых или галечных наносов. Вопрос о моделировании сил сопротивления или сил гидродинамического воздействия в этих случаях сводится к вопросу моделирования формы и массы конструктивных элементов сооружений или крупности наносов. Конечно, при этом следует иметь в виду, что существует нижний предел размеров модели, который определяется из условий: течение на модели должно быть турбулентным и автомодельным по числу Рейнольдса. При обтекании тел различной формы эти требования будут выполнены, если

где V_m - характерная скорость на модели; L_m - характерный размер обтекаемого тела; - кинематическая вязкость жидкости.

При истечении жидкости через отверстия в проницаемых экранах (струи) автомодельность по числу Рейнольдса будет иметь место, если

где _m - характерный размер отверстия.

Взаимодействие волн с проницаемой наброской становится независимой от числа Рейнольдса при

где D_m - крупность элементов наброски.

Процессы, протекающие в прибойной зоне с галечными пляжами, моделируются достоверно при

где D - средняя крупность наносов; h_cr - высота волн по линии последнего обрушения. Плотность наносов пляжевого материала на модели и в натурных условиях должна быть одинаковой [2].

Экспериментальные исследования проводились в волновом лотке Научно-исследовательского центра «Морские берега», имеющим размеры: длина 20 м; ширина 0,6 м; высота стенок 0,8 м. Волновой лоток оснащен щитовым волнопродуктором, позволяющим генерировать волны с заданной частотой и амплитудой.

В соответствии с принятым масштабом a = 1 : 40 была построена модель фрагмента типичного берегового склона Черноморского побережья, участка искусственной территории с подпорной стеной, галечного пляжа и берегоукрепительных сооружений. Ширина подпорной стены составляла 10 см (4,0 м), с отметкой верха -10см (-4,0 м). В качестве берегоукрепительных мероприятий использовалась комплексная защита побережья с помощью галечного пляжа и волноотбойной стены. Здесь и далее по тексту в скобках приводятся величины, соответствующие натурным данным.

Рельеф подводного склона до изобаты 50 см (20 м) воспроизводился геометрически подобным натурному.

Для создания искусственного рекреационного галечного пляжа на модели первоначально отсыпался материал со средней крупностью D = 1,8 мм, чему в натурных условиях соответствовали наносы крупностью D ? 72 мм.

Профиль модели представлен на рис. 5.

Рис. 5. Профиль берегозащитного сооружения

Параметры волн имели следующие значения:

высота волн h = 9,8 см (3,9 м);

период волн Т = 1,42 с (9 с).

Глубина воды у подпорной стенки равнялась 40 см (16 м).

Продолжительность каждого опыта определена длительностью процесса получения относительно стабильного состояния моделируемых береговых форм, либо до получения ясности в направлении дальнейшего хода моделируемого процесса.

Изменения рельефа пляжа оценивались по результатам измерений от постоянного начала до характерных точек на профиле пляжа: положение уреза воды и окончания его подводной части.

Для сравнения результатов моделирования различных вариантов компоновки сооружений и возможности их оценки, параметры волн и продолжительность волнового воздействия в каждом опыте приняты одинаковыми, за исключением тех экспериментов, где результат моделирования был очевиден.

В процессе проведения экспериментов последовательно изменялись размеры и конструкции отдельных элементов сооружений и их взаимной компоновки, которые позволили определить оптимальные варианты берегового укрепления, обеспечивающего наиболее эффективные решения с точки зрения сохранения пляжа и общего укрепления берега.

Наряду с определением параметров конструкции рассматривался вопрос о степени влияния крупности пляжеобразующего материала на устойчивость и формирование пляжной полосы. Анализ влияния крупности галечного материала, изменяемого в диапазоне 0,625…2,5 мм (2,5… 10 см), показал, что при рассматриваемой крупности формируется устойчивый профиль пляжа. Результаты исследований (по окончании опытов) представлены на рис. 6…11.

Рис. 6. Сооружение с «козырьком», высотой 5 см (2 м)

По итогам экспериментальных исследований было выявлено, что без «козырька» под действием расчетного шторма происходит оттягивание значительной части пляжевого материала в зону обрушения с последующим выносом его в акваторию. Наиболее оптимальными, для формирования пляжевой полосы оказалась параметры конструкции, которая представлена на рис. 7.

Рис. 7. Сооружение без «козырька»

Рис. 8. Сооружение без «козырька», под защитой проницаемого волнолома

Рис. 9. Сооружение с проницаемым «козырьком» без волнолома

Рис.10. Сооружение с «козырьком», высотой 2,5 см (1 м)

Рис. 11. Сооружение с «козырьком», высотой 7,5 см (3 м)

Под действием волнения не наблюдалось оттягивания пляжевого материала, кроме того крутизна подводного склона увеличилась, а вместе с этим увеличилась и ширина пляжа.

Сравнение результатов измерений сформированных волнениями контуров пляжа с положением исходной отсыпки пляжного материала дает наглядное представление о деформациях исследуемого пляжа, что позволяет судить о направленности процессов.

Данная конструкция после более детальных исследований может быть рекомендована как один из вариантов берегозащитного сооружения искусственных территорий.

укрепление берег пляж остров

Библиографический список

1. Лайтхилл Дж. Волны в жидкостях. /Пер. с англ. - М.: Мир, 1981.

2. Петров В.А., Шахин В.М. Гидравлическое моделирование динамики галечных пляжей. /Сб. ЦНИИС «Вопросы совершенствования методов берегозащиты». - М., 1990.

3. Шарп Дж. Гидравлическое моделирование. /Пер. с англ. - М.: Мир, 1984.

Размещено на Allbest.ru