Моделирование развития аккумулятивного берега под влиянием блокирующих элементов



Дата12.05.2019
өлшемі113.38 Kb.
#145372
түріРешение




УДК 551.435
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ АККУМУЛЯТИВНОГО БЕРЕГА ПОД ВЛИЯНИЕМ БЛОКИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Муркалов А.Б., Калиниченко В.В.

ЧЕРНОМОРНИИПРОЕКТ, лаборатория гидравлики и портовых акваторий.

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.

Напаравление

r


Угол подхода,

a, deg


Высота волн,

h, м


Глубина,

dcr, м



ЮВ

27-38

2.44

1.29

Ю

0

2.16

1.71

ЮЗ

22-35

2.23

1.38

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.

Ветроэнергетические коэффициенты *



-6.79926



13.80613



12.69066



15.38958



0.492481



26.21936

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

Трез - результирующая наносодвижущая сила;

А - размах миграции;

В - сила прибоя;

Е - вектор энергии общего наносодвижущего действия:

τ - относительная наносодвижущая сила;

γ - 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.


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.

Параметры

Теоретические

С учетом местных условий

Расположение сооружения

Прибойная зона

Прибойная зона

Ls




60 м

Lg




20 м

X




55 м

D50




0.22 мм

Глубина расположения сооружения d

1.2-1.6

1.5 м

Формирование томболо Ls/X

> 0.67

< 1 не формируется

> 2 формируется постоянное

1.5-2 - формирование томболо

0,5-0.7 - выступы



1,09

Переменное томболо




Накопление наносов

Ls/X 2-6 (Ls=60-200 м)

Lg=L (Lg=20-50 м)

стандарт Ls/X 1-3.3


Ls/X=1.09 (стандарт)

Ls=60 м


Lg=20 м

L=10-20 м



Толщина созданной аккумулятивной формы (за 5 лет) zs




1.04

Отклик пляжа на сооружение

3 – очень развитые выступы

4 – подавленные выступы



3.57

Отсутствие размыва пляжа в прорези

Lg/X<0.8

0.4

Максимальное отложение наносов во время шторма

0,5

0.92

Очень развитое томболо

X/Xb=0.56

0.92

Длина защищенного участка берега




200 м.

Длина наволока (нарастания берега) - Xs




17 м

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.

Направление волнения

Точки

1

2

3

4

СЗ

0.45 / 0.45

0.75 / 0.55

0.85 / 0.55

0.75 / 0.45

Ю

0.45 / 0.5

0.8 / 0.65

0.8 / 0.65

0.75 / 0.55

ЮВ

0.35 / 0.15

0.6 / 0.15

0.6 / 0.15

0.6 / 0.15


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.

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

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

  3. 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.

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

  5. 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.

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

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

  3. 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.

  4. 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.

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

  6. Alejandro Sánchez, Tanya Beck, Lihwa Lin, Zeki Demirbilek, Mitch Brown, and Honghai Li (2012). Coastal Modeling System Draft User Manual. CRIP.USAGE, 354 p.

  7. Engineering design guidance for detached breakwaters as shoreline stabilization structures / by Monica A. Chasten ... ret al.], Coastal Engineering Research Center; prepared for U.S. Army Corps of Engineers. 167 p.: ill.; 28 cm. - (Technical report; CERC-93-19).

  8. Rosati J.D. 1990. Functional design of breakwaters for shore protection: em pirical methods Technical Report, CERC-90-15, US Army Corps of Engineers, Washington DC. 47 p.

  9. SWAN – User manual. SWAN Cycle III version 40.51. Delft University of Technology. Faculty of Civil Engineering and Geosciences. Environmental Fluid Mechanics Section, available from http://www.fluidmechanics.tudelft.nl/swan/index.htm (Version 40.51, August 2006).


Достарыңызбен бөлісу:




©kzref.org 2022
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет