Delist.ru

Вдольбереговой перенос галечных и песчаных неоднородных наносов при наличии поперечных гидротехнических сооружений (18.05.2010)

Автор: Бондарева Елена Владимировна

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

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

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:

где: ( – кинематическая вязкость воды; g – ускорение силы тяжести; (s – плотность материала наносов; (w – плотность воды; Dm – средняя крупность наносов.

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

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:

– групповая скорость волн; fw – волновой коэффициент трения; uwb – придонная волновая скорость; Uс – осредненная по глубине скорость течения; Ch – 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:

где: Fgr – параметр подвижности наносов; Fgrc – 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:

– 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:

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

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:

загрузка...