Моделирование развития аккумулятивного берега под влиянием блокирующих элементов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Моделирование развития аккумулятивного берега под влиянием блокирующих элементов

Муркалов А.Б.

Аккумулятивные берега северо-западной части Черного моря активно осваиваются. Освоение часто проводится без учета закономерностей развития береговой зоны, что приводит к размыву, отступанию берега и разрушению объектов инфраструктуры.

Решение сложившихся негативных последствий включает в себя устранение причин рамыва, регулирование деятельности на берегу и внедрении активных либо комплексных средств берегозащиты.

Ключевые слова: аккумуляция, берег, моделирование, наносы, пляж.

Постановка проблемы. В настоящее время повысился интерес к освоению аккумулятивных берегов Черного моря в разнообразных видах хозяйственной деятельности. Нередко эта деятельность проводится без учета, мониторинга и прогноза береговых процессов, что приводит к потерям очень ценных прибрежных земель в результате размыва. Береговая зона является единой взаимосвязанной морфолитодинамической системой и негативные процессы в одной ее части достаточно быстро проявляются в другой.

Применение активных средств берегозащиты на открытых аккумулятивных берегах достаточно дорогостоящее мероприятие. Более рациональным является внедрение берегозащитных сооружений с позитивным морфолитодинамическим и биологическим эффектом. Одним из таких видов сооружений являются блокирующие элементы. За рубежом подобные сооружения широко распространены в практике берегозащиты. Их применение, эффективность и воздействие на берега хорошо изучены [7, 8]. В отечественной практике отмечены единичные случаи их внедрения. Поэтому рассматриваемая проблема актуальна и нова для региональных условий северо-западной части Черного моря.

Методы исследований. Достижение поставленной задачи требует применения комплекса методов изучения и моделирования природных условий береговой зоны. На пляжах и подводном склоне отобраны средневзвешенные наносы, которые подвергнуты весовому гранулометрическому анализу [1, 4]. Результаты анализа представлены в виде графических гранулометрических коэффициентов Траска. Ветер и волнение рассчитаны по данным наблюдений на ГМС в соответствии с методикой СНиП 2.6.04-82* для зон генерации, трансформации и прибойной [3, 5]. Промерные работы в прибрежной зоне выполнены по паралельным галсам [4]. В работе использованы результаты, полученные системами математического моделирования SWAN и CMS [6, 9].

Результаты исследования. Моделирование морфолитодинамических процессов в береговой зоне должно проводиться только опираясь на данные полевого изучения территории, что позволяет увязывать полученные результаты с протекающими на конкретном участке берега процессами, проверять корректность самой модели и ее применимость в данных условиях.

Изучение конфигурации берега позволило установить его сложность и необходимость применения семилучевого способа расчета параметров ветровых волн. Скорость ветра 4% обеспеченности на исследуемом участке составила соответственно для ЮВ Ю и ЮЗ направлений 19, 25 и 20 м/с. По полученным результатм были вычислены параметры ветрового волнения в конце зоны гененрации, зоне трансформации и прибойной. Оказалось, что средняя высота волн не превышала 2.5 м в конце зоны генерации и 1.5 м на глубине первого обрушения. В зависимости от направления волн в результате их трансформации над дном изменялся угол подхода на линии первого обрушения (таблица 1). Длина волны при этом не превышала 30 м (18-26 м).

Таблица 1. Параметры волн 4% обеспеченности на линии 1 обрушения.

Оказалось, что в прибойной зоне и на подходах к ней в результате рефракции волн над подводным склоном их угол подхода при волнении от ЮВ и ЮЗ обенспечивает максимальный вдольбереговой транспорт наносов - 30-450. Сравнение полученных результатов с изучением режима вдольбереговых потоков наносов показало сходимость полученных выводов. Многолетними исследованиями доказано, что для песчаных берегов Черного моря наиболее репрезентативным из ветроэнергетических является метод, разработанный латвийским инженером-гидротехником Р.Я. Кнапсом [2. 4]. Результаты расчетов для участка исследований, полученные этим методом, представлены в таблице 2.

Анализ полученных результатов показывает, что в многолетнем разрезе времени вдольбереговой поток наносов направлен на ЮЗ (вправо смотря на море), сила лобового воздействия, а соответственно и наносообмен между берегом и подводным склоном в 2 раза больше, чем вдоль берега, соответственно пляжи питаются преимущественно донными наносами с увеличением высоты. Угол ветроэнергетической равнодействующей и берегом приближается к 300, что соответствует максимальному расходу наносов во вдольбереговом потоке, соответственно наносообмен на пляжах ускоренный.

Таблица 2. Расчетные ветроэнергетические характеристики перемещения наносов на участке исследований.

* где: Т1 и Т2 - составляющие наносодвижущей силы Т;

Трез - результирующая наносодвижущая сила;

А - размах миграции;

В - сила прибоя;

Е - вектор энергии общего наносодвижущего действия:

ф - относительная наносодвижущая сила;

г - направление вектора энергии;

Во вдольбереговой поток и донное питание пляжей вовлечены наносы, соответствующие фациальным условиям изучаемого участка берега. Отобранные средневзвешанные наносы пляжа и подводного склона подвергнуты ситовому анализу. По результатам ситового анализа определен средний гранулометрический состав наносов морского пляжа, построены кумулятивные кривые (рис. 1) и определен медианный (срединный) размер наносов (по Траску): . На песчаные фракции (0.1-1 мм) приходится около 95% всего количества наносов. Это позволяет отнести данный пляж к песчаному среднезернистому гранулометрическому типу. Ведущей (преобладающей) фракцией является 0.25-0.1 мм. Ее содержание изменяется от 49,65 до 65,45% и составляет в среднем 55%. Таким образом во время сильного шторма более половины материала, слагающего пляж взвешивается прибойным потоком и вовлекается в тарнспорт.

Рис. 1. Поле кумулятивных кривых наносов морского пляжа участка исследования.

Перемещение наносов определяется совокупностью гидрологических условий, которые в свою очередь определяются рельефом подводного склона. Анализ навигационных карт и полевые промеры на участке проектирования позволили установить общие закономерности строения подводного рельефа (рис. 2-3).

Рис. 2. Подробный план прибойной зоны участка проектирования.

аккумулятивный берег акватория

Подводный рельеф акватории достаточно сложный. Мористее расположена банка. Восточнее и западнее расположены мысы с широкими подводными отмелями. Это оказывает существенное влияние на степень закрытости акватории от волн определенных направлений и их трансформацию при прохождении от открытого моря к прибойной зоне. При этом уклоны дна изменяются от 0,001 в глубоководной части до 0,011 в прибойной зоне.

Поперечный профиль подводного склона в прибрежной части усложнен 2 валами. Первый от берега подводный вал имеет высоту над дном - 1-1,5 м. Основание вала залегает на глубинах около 2 м. Глубже располагается второй распластанный вал, слабо выраженный в рельефе. Высота вала над дном - 0,5-1 м. При длине участка берега порядка 500 м на подводном склоне сосредоточено до 17000 м3 наносов (35 м3/м берега).

Рис. 3. Совмещенные поперечные профили участка исследований.

Положение блокирующих элементов и их морфолитодинамический эффект зарубежными исследователями выведен как по результатам расчетов и моделирования, так и изучения сооружений в природе [7, 8]. Исследователями приводится ряд соотношений структурных параметров и ожидаемый берегозащитный и морфологический эффект. На рисунке 4 приведены общепринятые обозначения блокирующих элементов.

Рис. 4. Структурные параметры блокирующих элементов [7, 8]: Ls - длина сегмента; Lg - ширина прорези, X - расстояние от берега, Xb - расстояние до линии 1 разрушения волн, Xs - длина наволока (синусоиды), D50 - медианный размер наносов.

Авторами приводятся ряд соотношений структурных элементов, обеспечивающие берегозащитную функцию (позитивный морфолитодинамический эффект). На основании анализа волнового режима, наносов и строения подводного склона, с учетом рекомендаций к структурным элементам получены результаты, которые сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Структурные параметры берегозащитного сооружения и морфологическая реакция берега.

Полученные структурные параметры послужили основой для математического моделирования SWAN, что позволило количественно охарактеризовать влияние блокирующих элементов на волновые процессы. Результаты представлены в таблице 4 и на рисунках 5-6.

Рис. 5. Схема расположения точек мониторинга на участке исследований.

Таблица 5. Высота волн / донные орбитальные скорости в точках мониторинга.

Рис. 6. Пример расчета поля высот волн (А) и придонных орбитальных скоростей (Б) при СЗ волнении и ветре.

Результаты математического моделирования подтвердили волногасящую роль блокирующего сооружения и позволили обратить внимание на высокие придонные орбитальные скорости, которые могут привести к размыву дна и разрушению сооружения без защиты его подводного основания.

Моделирование гидродинамики и перемещения наносов для полученных параметров берегозащитного сооружения проведены с использование программного комплекса CMS. Оно показало, что при данной компоновке и положении берегозащитного сооружения отмечается нарастание берега и формирование периодических выступов с подводным основанием в виде томболо, соединяющегося с берегозащитным сооружением (рис. 7). При положительном наносоудерживающем эффекте отмечается размыв у основания сооружения, что требует дополнительного учета при длительной эксплуатации.

Рис. 7. Результаты моделирования динамики береговой линии на участке исследований.

Выводы

Полученные результаты позволяют сделать ряд выводов о методике внедрения блокирующих элементов на этапе проектирования и выбора схем берегозащиты.

Обязательным условием использования блокирующих элементов и их морфолитодинамическим позитивным эффектом является наличие наносов.

Структурные параметры блокирующих элементов определяются совокупностью природных условий участка: рельефом подводного склона, характером наносов, гидрологией прилегающей акватории.

Выбор схемы и параметров блокирующих элементов проходит ряд этапов: изучение и расчет параметров ветро-волнового режима, изучение наносов (гранулометрический состав, гидравлическая крупность), изучение перемещения наносов, изучение подводного склона (подробное в прибрежной зоне), расчет структурных параметров, математическое моделирование взаимодействия с волновым полем, придонных орбитальных скоростей и перемещения наносов с деформациями береговой линии.

Учет и моделирование негативных морфодинамических процессов и рассмотрение схем защиты сооружения в случае низового и размыва основания сооружения.

Полученные результаты моделирования подтверждают эмпирические зависимости, полученные зарубежными исследователями для блокирующих элементов и позволяют их рекомендовать к использованию в региональных условиях северо-западной части Черного моря.

Список использованной литературы

Зенкович В.П. Основы учения о развитии морских берегов. - Москва: Изд-во АН СССР, 1962. - 710 с.

Кнапс Р.Я. О методике определения режима движения наносов вдоль берегов неприливных морей. - Рига: Латгипропром, 1985. - 75 с.

Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С., Завьялов В.К. Нагрузки и воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения (теория, инженерные методы, расчеты) Л. 1990 г., 452 с.

Руководство по методам исследований и расчетов перемещения наносов и динамики берегов при инженерных изысканиях. / Отв. ред. М.Н. Костяницын, Л.А. Логачев, В.П. Зенкович. - М.: Гидрометеоиздат, 1975. - 240 c.

СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов).--М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. 40 с.

Размещено на Allbest.ru