Delist.ru

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

Автор: Бондарева Елена Владимировна

где: H0 – высота волн на глубокой воде; T – средний период волн, KR – коэффициент рефракции; Kmod – коэффициент, определенный по АW; Pl – 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:

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:

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

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

?) 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:

- шаг сетки по временной координате, и:

- шаг сетки по пространственной координате.

, уравнение (13) можно представить в виде:

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 KD. Коэффициент дифракции предлагается определять на основе аппроксимации, представленной на рис. 3, согласно которой KD 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 ZD в каждой точки i области дифракции.

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

представляет значение z в точке i.

, которая меняется линейно от нуля у сооружения до z на границе зоны дифракции (рис. 3). При этом граничные условия для коэффициента ZD удовлетворяются.

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.

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

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.

загрузка...