Вдольбереговой перенос галечных и песчаных неоднородных наносов при наличии поперечных гидротехнических сооружений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

Вдольбереговой перенос галечных и песчаных неоднородных наносов при наличии поперечных гидротехнических сооружений

Специальность 05.23.16. - Гидравлика и инженерная гидрология

Бондарева Елена

Москва - 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор

Кантаржи Игорь Григорьевич

Официальные оппоненты

Доктор технических наук

Шахин Виктор Миронович

Кандидат технических наук, доцент

Корчагин Евгений Александрович

Ведущая организация

ООО НПЦ «Берегозащита»

Общая характеристика работы

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.

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.

Содержание работы

Во введении отражена актуальность темы диссертации, кратко изложено основное содержание работы.

В первой главе анализируются расчетные зависимости для вдольберегового переноса наносов, базирующиеся на энергетическом подходе. Установлено, что, несмотря на разницу в процессах, протекающих на галечных и песчаных пляжах, формулы для оценки расхода наносов имеют один общий вид. Но вдольбереговые расходы галечных и песчаных наносов обычно считаются по разным зависимостям.

Предлагается модифицировать энергетические зависимости для вдольберегового потока наносов с целью их использования как на галечных, так и на песчаных пляжах. Модификация формул заключается в получении для них эмпирического коэффициента, позволяющего учитывать различия гидравлических процессов, протекающих на галечных и на песчаных пляжах.

В качестве галечных рассматриваются пляжи, представленные наносами, которые перемещаются преимущественно влечением, а в качестве песчаных - пляжи с наносами, движущимся преимущественно во взвеси. Т.е., при модификации формул учитывается, что весь участок берегового склона, подверженного воздействию волнения, сложен либо наносами, двигающимися влечением, либо перемещающимися во взвеси, либо в транспорте присутствуют оба вида движения. Также на основе анализа эффектов, связанных с неоднородным распределением пляжного материала по профилю галечного и песчаного пляжей, при модификации формул предлагается учитывать и распределение наносов по крупности вдоль поперечного профиля пляжа.

Далее анализируются существующие модели воздействия поперечных гидротехнических сооружений на транспорт наносов и динамику берегов.

Во второй главе предполагается, что наносы в береговой зоне моря переносятся под совместным действием волн и течения, что наблюдается в реальных условиях в прибойной зоне. Поэтому при модификации энергетических формул для вдольберегового расхода наносов предлагается использовать методику Ackers-White (АW), модифицированную И.Г. Кантаржи и С.М. Анцыферовым для условий волн, распространяющихся на течении.

Причинами именно такого выбора являются следующие соображения: методика АW позволяет определять суммарный транспорт наносов, включая донные и взвешенные. Методика АW разработана для транспорта наносов в открытых руслах, откуда получены большинство гидравлических расчетных формул для вдольберегового потока наносов посредством замены придонных касательных напряжений в русловом потоке ₀ на придонные касательные напряжения от волн на течении _wc. Также, среди других расчетных формул для руслового расхода наносов, методика AW имеет наилучшее согласие с опытами. В работе Ackers выполнено сопоставление с данными 840 опытов с измерением расхода песка в лабораторных каналах, 180 опытов с мелкой галькой и 240 измерений расхода наносов (песок и галька) в натурных условиях. Установлено, что при использовании метода AW отношение расчетного и измеренного расходов наносов лежит в диапазоне 0,5-2,0 для 68% всех сравнений. Основные положения метода AW описаны ниже.

Разделение на донные и взвешенные наносы производится по величине безразмерного диаметра наносов:

, (1)

где: - кинематическая вязкость воды; g - ускорение силы тяжести; _s - плотность материала наносов; _w - плотность воды; D_m - средняя крупность наносов.

При наносы относятся к донной нагрузке, при наносы относятся к взвешенной нагрузке. При в суммарном транспорте наносов имеются и переносимые влечением и во взвеси, соотношение между ними определяется величиной .

В методике AW массовый расход наносов определяется через массовый расход течения и нагрузку наносами в условиях совместного действия волн и течений:

, (2)

где: Q, _s - расход материала наносов; q - расход течения; S - нагрузка наносами от совместного действия волн и течения.

Так как при совместном действии волн и течений характеристики транспорта наносов могут существенно отличаться от переноса только течением, характерного для открытых русел, то для учета действия обоих факторов (течение и волны) в методике AW при определении нагрузки наносами используется суммарная транспортирующая мощность, равная сумме транспортирующих мощностей течения и волнения:

, (3)

где: - групповая скорость волн; f_w - волновой коэффициент трения; u_wb - придонная волновая скорость; U_с - осредненная по глубине скорость течения; C_h - безразмерный коэффициент Шези.

Мощность, волновой коэффициент трения, коэффициент Шези определяются отдельно для взвешенных и влекомых наносов.

Результирующее соотношение для нагрузки наносами от волн и течения получается в следующем виде:

вдольбереговый песчаный пляж интегральный

, (4)

где: F_gr - параметр подвижности наносов; F_grc - критическое значение параметра подвижности (при значениях параметра подвижности ниже критического, перенос наносов не происходит); h - глубина воды. С, m - коэффициенты.

Параметр подвижности по AW определяется с учетом разделения на донные и взвешенные наносы:

, (5)

где - скорость донного трения для волн на течении. Динамическая скорость u_*cg относится к донным наносам, а скорость u_*fg - к взвешенным.

При определении эффективного придонного касательного напряжения от волн на течении применялся подход, предложенный в работах И.Г. Кантаржи:

, (6)

где W_wc - коэффициент приведения волновой части придонного тангенциального напряжения к течению. Для вычисления коэффициента используется формула:

(7)

Условие начала транспорта наносов в виде критического значения параметра подвижности AW является универсальным и пригодным для однонаправленного потока, волн и волн, распространяющихся на течении.

Определение эмпирического коэффициента энергетической формулы для вдольберегового переноса наносов происходит при сравнении величины вдольберегового расхода, определенной по методу АW, с энергетической зависимостью (по формуле CERC или по зависимости В.А. Петрова, Н.А. Ярославцева).

Таким образом, разработана модель интегрального вдольберегового переноса неоднородных наносов применительно к условиям галечных и песчаных пляжей, которая описывается модифицированной энергетической формулой.

Для краткосрочных и долговременных прогнозов взаимодействия перемещений наносов в береговой зоне моря с поперечными оградительными и берегозащитными сооружениями, предлагается одномерная диффузионная модель, рассчитывающая эволюцию пляжа в зоне влияния поперечного сооружения. В модели изменения пляжа исследуются на основе уравнения сохранения потока пляжного материала и соответствующих накоплений и потерь материала в зоне сооружений. Схема задачи показана на рис. 2. Внешние границы с обеих сторон сооружения задаются на расстояниях от сооружения, где его влияние на транспорт наносов пренебрежимо мало.

На этих границах расход наносов определяется по модифицированной энергетической формуле вдольберегового переноса наносов, учитывающей рефракцию волн. Другие граничные условия задаются непосредственно с обеих сторон сооружения. Для непроницаемого сооружения, расход наносов на сооружении равен нулю. В противном случае этот расход должен быть определен. Начальное значение величины расхода наносов определяется как:

, (8)

где: H₀ - высота волн на глубокой воде; T - средний период волн, K_R - коэффициент рефракции; K_mod - коэффициент, определенный по АW; P_l - вдольбереговая компонента волновой энергии; ₀ - угол между фронтом волн и береговой линией на глубокой воде; _b - угол между фронтом обрушающихся волн и береговой линией.

Начальное положение пляжа задается по данным натурных измерений.

Рис 2. Схема задачи взаимодействия потока наносов с поперечным барьером

Поведение береговой линии определяется из уравнения баланса, которое для пляжа записывается в виде:

, (9)

где: y (x,t) - определяет положение береговой линии; x - расстояние вдоль берега; t - время; h - глубина замыкания.

Из (9) положение береговой линии определяется по расходу наносов Q, вычисленному по одномерному уравнению диффузии. Вывод уравнения диффузии для вдольберегового расхода наносов основан на том, что ориентация береговой линии по отношению к оси x может быть выражена через угол между осью x и фронтом волн, и угол между фронтом волн и береговой линией ₀:

(10)

Комбинация уравнений (9) и (10) позволяет получить одномерное уравнение диффузии для расхода наносов:

, (11)

L(t,x) - коэффициент диффузии, учитывающий изменение расхода наносов при изменении угла между фронтом волн и линией берега на глубокой воде.

Уравнения (9) и (11) решаются численно с использованием метода конечных разностей для заданных начального и граничных условий, что позволяет получить распределение потока наносов и положение береговой линии в узлах дискретной сетки вдоль береговой линии и с дискретным шагом по времени.

Уравнение (11) линеаризуется и интегрируется по схеме Кранка-Николсона:

, (12)

где индекс i представляет узлы пространственной сетки, а индекс n - точки временных шагов, - шаг сетки по временной координате, и:

, (13)

где - шаг сетки по пространственной координате.

Принимая приближенно и обозначая , уравнение (13) можно представить в виде:

, (14)

где , (15)

При использовании известных величин расхода наносов на верхней и нижней границах, уравнения (14, 15) являются трехдиагональной системой, решаемой стандартными методами. Расходы наносов определяются, начиная с последнего узла:

Уравнение (9) далее интегрируется для `определения нового положения береговой линии ():

(16)

Выполнено сравнение разработанной модели переформирования пляжа с аналитическим решением, полученным Р. Пелнар-Консидером и Дж. Ларра. Получено хорошее соответствие: максимальная относительная погрешность вычислений по отношению к аналитическому решению составляет 13%.

Для более точной оценки эволюции пляжа в окрестности достаточно длинных оградительных портовых молов важно учитывать дифракцию, возникающую при подходе волн к берегу в теневой зоне сооружений. Дифракция приводит к изменению высоты волны вдоль волнового гребня и направления подхода волн по линии обрушения, что оказывает влияние на положение и характер низового размыва. Поэтому, разработанная модель переформирования неоднородного пляжа модифицирована с учетом дифракции волн.

В формулу (8), при расчете вдольбереговой компоненты волновой энергии, дополнительно вводится коэффициент дифракции K_D. Коэффициент дифракции предлагается определять на основе аппроксимации, представленной на рис. 3, согласно которой K_D принимается меняющимся линейно от 0,33 у линии сооружения до 0,575 на границе волновой тени. Далее он растет линейно от 0,575 до 1,0. Последнее значение достигается на пересечении луча, проходящего через голову сооружения под углом _b. Аппроксимация коэффициента дифракции основана на решениях, полученных методом диффузии амплитуды, хорошо согласующихся с известными аналитическими решениями Пенни?Прайса.

Угол по линии обрушения волн в области дифракции определяется введением коэффициента Z_D в каждой точки i области дифракции.

В соответствии с формулой (9), коэффициент Z_D определяется как:

, (17)

где представляет значение z в точке i.

Таким образом, Z_D представляет собой отношение вдольберегового расхода в точке i внутри зоны дифракции и на границе зоны дифракции. Он меняется от нуля до единицы, от створа сооружения, где величина вдольберегового переноса равна нулю, до границы зоны дифракции, где вдольбереговой перенос определяется по формуле СERC. Величина Z_D зависит от величины, которая меняется линейно от нуля у сооружения до z на границе зоны дифракции (рис. 3). При этом граничные условия для коэффициента Z_D удовлетворяются.

С целью упрощения вычислений в модели, введение коэффициента дифракции и изменения угла подхода волн по линии обрушения в зоне дифракции (Z_D) делается посредством умножения вычисленных по модели дискретных расходов наносов в разных точках вдоль берега и в разные моменты времени на .

Рис. 3. Предлагаемая аппроксимация для коэффициента дифракции и определения угла по линии обрушения

Далее в главе приведен пример расчета размывов по базовой модели, не учитывающей дифракцию волн, и по модифицированной модели, включающей дифракцию. Анализ примера позволяет сделать следующие выводы:

1. При расчетах без учета дифракции волн размыв начинается на линии сооружения и имеет острую треугольную форму. Глубина и расположение размыва не зависят от длины сооружения при прочих одинаковых условиях.

2. В случае учета дифракции волн по предлагаемой методике, яма размыва отодвигается от сооружения и имеет более пологий характер. Также величины размыва и его положения зависят от длины сооружения при прочих одинаковых условиях.

Для оценки предлагаемой методики по определению угла подхода волн

и коэффициента дифракции, возникающей в теневой зоне сооружения, используются результаты одного из проведенных экспериментов по переформированию галечного пляжа при наличии поперечных гидротехнических сооружений, в процессе которого наблюдался дифракционный эффект. Описание экспериментов, а также методики моделирования приведено в главе 3. Обозначения для исследуемого межбунного отсека представлены на рис. 4а. Задаваемые параметры расчетного волнения соответствовали натурным (глава 3). На рисунках 4б, в приведено сопоставление результатов гидравлического и математического моделирования переформирования пляжа в межбунном отсеке.

а) б) в)



Рис. 4. а) Межбунный отсек №3 (схема);

б) пляж в межбунном отсеке №3 через 6 часов после начала опыта;

в) эволюция берега: 1 - по гидравлическому моделированию;

2 - по математическому моделированию; 3 - начальная линия пляжа

На основании результатов опыта (рис. 4в) можно заключить, что учет дифракции волн позволяет получать более достоверные прогнозы низовых размывов. В случае же расчета по модели без дифракции, размыв должен будет начинаться сразу за сооружением и иметь острую треугольную форму, что не соответствует результатам проведенных экспериментов.

Отличие разработанной модели от существующих состоит в том, что в предлагаемой модели учет дифракции основан на разработанном упрощенном методе по определению коэффициента дифракции и угла по линии обрушения. Также, в уравнении диффузии, расход наносов рассчитывается с использованием разработанной модели вдольберегового переноса неоднородных наносов.

В третьей главе представлены результаты проведенных экспериментов по оценке влияния неоднородного распределения материала вдоль поперечного профиля галечного пляжа на расчет расхода вдольберегового потока наносов.

Эксперименты выполнялись в филиале ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» «НИЦ «Морские берега». В волновом бассейне (ширина 13 м, длина 17 м), в масштабе 1:30 была построена гидравлическая модель для условий береговой зоны в районе санатория «Автотранспортник России», расположенного на Черноморском побережье в пределах Краснодарского края к западу от г. Туапсе в междуречье рек Агой и Небуг. Модель включала волноотбойную стену, бетонную берму (отсек №3), рекреационный галечный пляж и четыре пляжеудерживающих сооружения в виде бун. На модели оценивалась устойчивость отсыпаемого галечного пляжа, и оптимизировались параметры пляжеудерживающих сооружений, необходимых для создания динамически устойчивого пляжа шириной 25-30 м.

Волновые режимы моделировались по числу Фруда, моделирование материала пляжа проводилось в соответствии с методикой ЦНИИС, 1990.

В задачи экспериментов входило: наблюдение дифракционного эффекта в межбунном отсеке; измерение объемов отложения материала в зоне аккумуляции; измерение распределения средней крупности по поперечному профилю пляжа; оценка эволюции береговой линии после шторма.

Схема гидравлической модели показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема гидравлической модели

В качестве расчетного выбран наиболее воздействующий на пляж шторм ЮЗ направления повторяемостью 1 раз в 25 лет. Задаваемые параметры расчетного волнения соответствовали следующим натурным: высота волн по линии обрушения - 3,38 м; средний период - 10,7 с; глубина последнего обрушения - 4,5 м; угол между фронтом подходящих волн в последнем обрушении и линией берега - 15⁰; средний диаметр наносов - 33,0 мм; продолжительность шторма - 33 час. Уровень наполнения бассейна водой во всех опытах был одним и составлял 36 см, что соответствовало расчетному уровню моря 1% обеспеченности.

Измерения величины расхода вдольберегового потока наносов на модели проводились после обработки пляжа расчетным штормом через измерение объемов отложения материала в зоне аккумуляции. Во время проведения опытов замерялась высота волн на подходе к откосу и положение линии обрушения волн на пляже.

Экспериментальные исследования состояли из двух серий опытов. В первой серии опытов (1, 2, 3) подбирались параметры бун, способных удержать создаваемый галечный пляж в отсеке №1 и №2, а во второй серии (4, 5) проверялись варианты отсыпок пляжа в отсеке №3, способного обеспечить надежную защиту бермы от волновых размывов.

С целью исследования характера распределения материала по поперечному профилю пляжа после проведения каждого опыта были отобраны пробы грунта по профилю. На рис. 6 представлен исходный состав отсыпаемого материала и характерное распределение среднего диаметра наносов вдоль берегового склона после переработки пляжа волнением.

Рис. 6. а) Исходный состав отсыпаемого материала;

б) распределение средней крупности наносов вдоль берегового склона после переработки пляжа волнением: 1 - линия уреза воды;

2 - распределение наносов по береговому склону

Из рисунка можно заключить, что вдоль поперечного профиля, переработанного волнением, имеет место распределение наносов по крупности с тенденцией ее увеличения к линии уреза воды.

В конце главы 2 было сделано сопоставление результатов опыта 4 с расчетами по разработанной модели переформирования неоднородного пляжа, включающей эффект дифракции.

В четвертой главе приведено сравнение разработанной модели вдольберегового переноса песчаных и галечных наносов с результатами численного моделирования, при различных волновых параметрах, а также параметрах, формирующих характерные процессы на пляжах (уклон, размер наносов), при условии, что все параметры, кроме одного, постоянные величины; натурных измерений среднегодового вдольберегового потока наносов на участке галечного пляжа с уклоном 0,1 и средним диаметром 0,02 м; экспериментальных исследований на участке галечного пляжа в условиях уклона по линии обрушения 0,008.

При получении коэффициента расхода наносов для условий моделируемого участка берега, в методике AW учитывалось и измеренное распределение наносов по профилю пляжа: в разработанной модели, вместо среднего диаметра наносов задавалось распределение диаметров от линии уреза до глубины замыкания в соответствии с измерениями (рис. 6).

В результате вычислений получено удовлетворительное соответствие расчетных и измеренных величин: максимальная погрешность прогнозов, основанных на разработанной модели, составляет 37% по величине расхода материала. Учет неоднородного распределения наносов вдоль поперечного профиля позволяет получить более точную оценку вдольберегового транспорта наносов: относительная погрешность вычислений с 26% (при однородном материале) снизилась до 15% (при распределении диаметров).

Пятая глава содержит описание применения результатов работы на трех объектах.

В разделе 5.1 с помощью разработанной модели был выполнен прогноз деформаций пляжа под воздействием штормовых волн в одном из межбунных отсеков пляжного комплекса пансионата «ОАО Санаторий «Автотранспортник России». Цель прогноза - оценить устойчивость создаваемого неоднородного галечного пляжа.

Расчетные данные сравнивались с результатами гидравлических исследований, выполненных в волновом бассейне. Прогноз динамики создаваемого перед бермой пляжа осуществлялся для отсека №3. Он основан на оценке смещения береговой линии в условиях реконструируемой буны №3 и в отсутствии наброски у буны №4. Схема гидравлической модели исследуемого отсека представлена на рис. 4а.

На рис. 7а представлено сопоставление выполненного прогноза по результатам математического и гидравлического моделирования.

Рис. 7. Эволюция создаваемого перед бермой пляжа

а) после прохождения шторма ЮЗ направления: 1- исходная линия берега;

2 - по гидравлическому моделированию; 3 - расчетные данные;

б) после прохождения шторма ЗСЗ направления

Результаты моделирования показывают, что данный вариант отсыпки пляжного материала перед бермой, в условиях отсутствия наброски около буны №4 является не эффективным. Один шторм юго-западного направления способен почти полностью размыть пляж.

С целью показать возможность применения модифицированной модели на рис. 7б представлен прогноз динамики пляжа в исследуемом межбунном отсеке после прохождения шторма противоположного направления. В качестве расчетного шторма принят шторм 4% обеспеченности (повторяемостью 1 раз в 25 лет) ЗСЗ направления. Расчетная оценка емкости вдольберегового потока наносов от шторма ЗСЗ направления составляет (-0,002 м³/с).

По сравнению со штормом ЮЗ направления интенсивность вдольберегового переноса наносов значительно снижается, что и оказывает влияние на величину размыва.

В разделе 5.2 с помощью разработанной модели переформирования неоднородного по составу пляжа, включающей эффект дифракции волн, был выполнен прогноз размывов пляжа, образованных в окрестностях оградительных молов планируемого Второго грузового района морского порта Сочи - Псоу в береговой зоне Имеретинской низменности. Цель прогноза - оценить последствия от строительства порта на окружающую среду.

При расчетах размер гальки принимался равным 50 мм, гравия - 5 мм, уклон дна - 0,15.

Вдольбереговые потоки гравийно-галечного материала, оцененные по разработанной модели транспорта неоднородных наносов, имеют значения для доминирующих направлений: -50 тыс. м³/год (на ЮВ) и 30 тыс. м³/год (на СЗ). Максимальная относительная погрешность вычислений по разработанной модели не превышает 20%.

Эволюция береговой линии под влиянием Восточного мола через 1 год и 5 лет после строительства приведена на рис. 8.

Рис. 8. Эволюция береговой линии под влиянием Восточного мола:

1 - исходная линия берега; 2 - через 1 год; 3 - через 5 лет

Полученные расчетные оценки эволюции показывают, что, уже через год после строительства, пляж на участке восточнее порта может сократиться на 12 м, а через 5 лет - на 36 м. Яма размыва отодвинута от сооружения, и ее область со временем увеличивается.

В разделе 5.3 с помощью разработанной модели был выполнен прогноз размывов, образованных в окрестностях оградительных молов планируемого порта Уч-Дере. Проектный участок берега расположен на Черноморском побережье Кавказа на восточном борту мыса Уч-Дере, примерно в 1,7 км к западу от пос. Уч-Дере.

Выводы

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть сформулированы в виде следующих выводов:

1. Показано, что зависимости для переноса русловых наносов, включающие транспорт влекомых и взвешенных наносов (АW), могут быть использованы для расчета вдольберегового переноса наносов для условий гравийно-галечно-песчаных пляжей, характерных для районов интенсивного портового строительства Черноморского побережья России.

2. Разработан единый подход к оценке интегрального вдольберегового переноса наносов для условий неоднородных галечных и песчаных пляжей. Энергетические формулы по определению расхода наносов модифицированы для условий расчета интегрального вдольберегового переноса наносов на неоднородных галечных и песчаных пляжах. Для этого входящий в энергетические формулы коэффициент определяется c использованием методики АW.

3. Разработанная модель вдольберегового транспорта неоднородных наносов, описываемая модифицированными энергетическими зависимостя-ми, верифицируется и калибруется с использованием результатов численного моделирования, натурных измерений, а также специально проведенных лабораторных опытов с галечными наносами. Максимальная погрешность прогнозов с использованием разработанной модели составляет 37% по величине расхода материала.

4. На основе лабораторных измерений показано, что вдоль поперечного профиля галечного пляжа после обработки волнением имеет место сортировка наносов по крупности с тенденцией ее увеличения к линии уреза воды. Также на основе сравнения расчетов с данными лабораторных опытов показано, что учет неоднородного распределения наносов вдоль поперечного профиля пляжного откоса при оценке вдольберегового переноса материала позволяет повысить точность расчета: относительная погрешность вычислений с 26% (однородный материал) снизилась до 15% (учет распределения диаметров наносов).

5. Разработана и модифицирована численная модель переформирова-ния пляжа в окрестности поперечных гидротехнических сооружений, которая отличается от предыдущих моделей включением единого подхода к определению интегрального вдольберегового переноса неоднородных наносов, а также учетом дифракции волн, возникающей в зоне волновой тени сооружения. Включение в расчет дифракции волн позволяет учесть (при прочих одинаковых условиях) влияние длины сооружения на расположение и величину ямы размыва.

6. Выполнены расчеты вдольберегового транспорта наносов и переформирования пляжа на объектах Черноморского побережья России: прогнозирование динамики пляжа в окрестности берегозащитных сооружений пансионата «ОАО Санаторий «Автотранспортник России», вблизи оградительных молов проектируемого второго грузового района морского порта Сочи - Псоу и проектируемого грузового района морского порта Сочи - Уч-Дере. Получены характеристики возможного воздействия портовых сооружений на геологическую среду, необходимые для разработки разделов ООС проектов портов, а также данные, необходимые для разработки проектов сохранения пляжей, прилегающих к сооружениям.

Публикации

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ:

1. Бондарева Е.В., Кантаржи И.Г. «Взаимодействие вдольберегового потока наносов с морскими гидротехническими сооружениями». Гидротехническое строительство, №12, М., 2009 г., с. 33-40.

2. Кантаржи И.Г., Дрейзис Ю.И., Бондарева Е.В., Вайтман В.В. «Эффекты неоднородности распределения наносов по крупности в литодинамике береговой зоны». Вестник МГСУ, спецвыпуск 1, М., 2010 г., с. 90-105.

Статьи, опубликованные в научных журналах и изданиях:

3. Бондарева Е.В. «Моделирование влияния поперечного барьера на динамику прилегающего пляжа (применительно к конструкциям яхтенных портов)». Журнал «Обозрение прикладной и промышленной математики», Т .14, выпуск 4, М., 2007 г., с. 683-684.

4. Бондарева Е.В., Кантаржи И.Г. «Оценка возможных экологических воздействий строительства марин на Черноморском побережье». Материалы XXII Международной береговой конференции «Проблемы управления и устойчивого развития прибрежной зоны моря», Краснодар: ООО «Эдарт принт», 2007 г., с. 222-224.

5. Бондарева Е.В., Кантаржи И.Г., Дрейзис Ю.И. «Экологические проблемы строительства яхтенных портов на Черноморском побережье России». Журнал «Наука Кубани». «Просвещение-Юг», Краснодар, 2008 г., с. 53-57.

6. Bondareva E., Grishin N., Dreizis Y., Kantardgi I. «Environmental impact assessment of the developed yacht-ports along the Russian Black Sea coast». Proc. of the 7 International Conference «COPEDEC VII», 2008, Dubai, UAE. Colombo, Sri Lanka. Full text CD, paper №197, 13 p., abstract pp. 375-376.

7. Бондарева Е.В. «Моделирование вдольберегового потока песчаных и галечных наносов в окрестности гидросооружений». Материалы V Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий», Сочи, РИО СГУТиКД, 2009 г., с. 8-11.

8. Бондарева Е.В., Кантаржи И.Г. «Прогноз вдольберегового потока песчаных и галечных наносов». Материалы международной конференции «Литодинамика донной контактной зоны океана», М., ГЕОС, 2009 г., с. 63-65.

9. Bondareva Е, Kantardgi I. «Graded Sediment Longshore Transport». The Proc. of 9-th International Conference on the Mediterranean Coastal Environment, Sochi, 2009, MEDCOAST, METU, Turkey, paper №203, рр. 765-777.

Размещено на Allbest.ru

...