автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлические методы расчета взаимодействия нерегулярных волн с берегозащитными сооружениями типа "искусственный риф"

минстрой россии всероссийский комплексный научно- исследовательский и конструкторско- технологически институт водоснабжения. канализации. гидротехнических сооружении и инженерной гидрогеологии ( внии водгео )

На правах рукописи удк 552.5:627

"соткова милена адамова

гидравлические методы расчета взаимодействия нерегулярных' волн с берегозащитными сооружениями типа "искусственный риф"

(05.23.16 - гидравлика и инженерная г и ПРОлог* Я )

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Институте гидро- и аэродинамики (БИТС) Болгарской академии наук.

Научный руководитель: кандидат технических наук, сторший

научный сотрудник И.Г.«АНТАРЖИ

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Ф.Г.МАИРАНОВ СКИИ (ВНИИ ВОДГЕО)

доктор физико- математических наук

С.М. АШЫФЕРОВ (Институт Океанологии АН России)

Ведущая организация: ЦНИИС

Защита диссертации состоится . НРЯА]?^..... 1992 года

в ..1С.... часов на заседании специализированного совета К 033.05.01 по присуждение ученой степени кандидата технических наук во Всероссийском комплексном научно-исследовательском и конструкторско- технологическом институте водоснабжения, канализации. гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ВНИИ ВОДГЕО) Минстроя России.

Адрес; 119826, Москва. Г - 48, Комсомольский проспект, д.42

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИ ВОДГЕО. Автореферат разослан . . 1992 года.

Ученый секретарь специализированного совета. кандидат технических' наук :

(М.В.Витенберг)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Искусственные рифы лятся и современным берегозащитным сооружениям, чьи исследования ались в последнем десятилетии. Самый беглый анализ научных пуб-аций последних лат показывает, что в настоящее время в Японии, ерландах, России и в других странах продолжаются научно- приклад-исследования искусственных рифов.

Функциональные особенности искусственных рифов как продольные егоэашитние сооружения являются сочетанием преимуществ подводных ноломов и пляжей:

подводные волноломы способствуют диссипации энергии и иэ-ению направлений волн и течений; препятствуют уходу наносов в равление глубокой воды:

- пляж, искусственно отсыпанный в эаволноломном пространстве, |еняет уклон.шероховатость и проницаемость дна и приводит к нарас-ию его сопротивления, к изменению условий распространения при-1Ного потока, и в итоге - к более равномерной диссипации энергии 1Н в береговой зоне: пляж компенсирует природный дефицит наносов и [питывает примыкавшие участки берега:

искусственные рифы, в целом, вызывают изменение параметров ¡действующего волнения и ими можно управлять седиментным транспор-1. а также и предохранять от разрушений строительные объекты, рас-гоженныэ у линии берега; удачным является использование искусст-1ных рифов в рекреационных мелях, так как они обеспечивают >бодный доступ к воде:

в био- экологическом аспекте подводные волноломы в системе сусственного рифа становятся факторами благоприятствующими сохра-шю и развитию морской фауны и флоры и вместе с тем обеспечивают юторое естественное наверстывание пляжа биогенными отложениями.

В общем случае математическое описание взаимодействия нерегу-)ных волн с искусственными рифами сводится к решению задачи шения квазистационарного потока со свободной поверхностью и зжными границами в рамках статистического или спектрального 1хода гидродинамики. Из- за комплексности природного процесса, зажавшейся а наличии множества независимых характеристических эаметров, теоретическая постановка и решение этой задачи в зквятной для береговой гидротехники форма пока не получены.

Существующие методы расчета трансформации волн и устойчивости 1жа применимы для непроницаемого дна с равномерным уклоном и эоховатостью и не учитывают влияния локальных неоднородностей пьефа типа уступ и/или впадина, какими, например, являются.подвод-з волноломы. В нормативных документах не требуется рассмотрение эктрального строения волн, что становится причиной некорректного ?еделения границ прибойной зоны и области эрозии подводного рель-и тем самым - причиной неточного фиксирования местоположения и змеров продольных берегозащитных сооружений.

Основной- подход при гидравлическом исследовании искуствен рифов - гибридное физико-катематическаа моделирование процесса вэ модействия волн с дном и с инженерными сооружениями. Однако, настоящем этапе на существуют достаточно точных и практиче применимых аналитических или численных решений указанной пробле Кроме того. методы гидравлического моделирование исследуе процессов сопровождаются рядом нерешенных более или менее част проблем. -например проблема подобия параметров седиментн транспорта в модели и на натуре, проблемы масштабных и модель эффектов при исследовании трансформации нерегулярных волн лабораторных условиях. методические проблемы сбора и обрабо данных и т.д. •

Из вышесказанного видно, что создание надежных эксперим тальных методов и разработка доступной, инженерно- примени математической модели. которая на основании корреляции с экспа ментальными результатами и с натурой достаточно точно описыв параметры взаимодействия и успешно решает задачу предварительн расчета искусственных рифов, является актуальной научной проблеме!

Цель и задачи исследования. Основ! цельс настоящей работы является теоретико- эксперименталы исследование взаимодействия нерегулярных волн с продольн! берегозащитными сооружениями типа "искусственный риф", раэви-численной модели процесса и разработка рекомендаций по техническ( расчету подводного волнолома и искусственного пляжа в системе ри< Проблема охватывает определение основных кинематических характер: тик волнового потока в районе искусственного рифа, а также и па] метров устойчивости рельефа дна.

В работе решаотся следующие основные задачи:

- разработка теоретической постанрвки исследовательской за; чи. в которой адекватно учитывается характеристические особенно« искусственных рифов и влияние нерегулярности морского волнения:

- выбор и аппробация методики физического моделирования вэг модействия ветровых волн с седиментным дном:

- расширение и усовершенствование наличной системы автомат заций" лабораторных экспериментов с целью получения надежных разу; татов как для коэффициентов прохождения и отражения нерегуляр! волн, так и для придонных скоростей;

проведение лабораторных экспериментов с целью валида! математической модели и эмпирических критериев устойчивости проф1 волн и искусственного пляжа:

- разработка численной модели процесса взаимодействия нерез лярного волнение с искусственными рифами:

- вывод расчетных зависимостей для параметров подводного вс нолома и искусственноотсыпанного пляжа в системе искусственного

- разработка рекомендаций по техническому расчету искусстве ных рифов.

Научная новизне. На основе статистического дхода и концепции индивидуальной волны. при применении закона хранения потока энергии разработана теоретическая постановка и тематическая модель исследовательской задачи. В линейном прибли-нии теории волн малой амплитуды и теории бора выведена разновид-сгь функции диссипации, учитывавшей сопротивление поверхности и 1льтрацис в теле подводного волнолома. Получена эмпирическаа зави-1Мость для оценки масштабного эффекта сил поверхностного натяжения in экспериментах с нерегулярным волнением в волновом лотка БИГС. (лирическим способом определены статистические параметры, «вляющие-I характеристическими для процесса общего развития профиля пляжа и ев размеров зоны локальной эрозии непосредственно аа подводным 1лноломом. Разработана методика расчета трансформации нерегулярных >лн над искусственным рифом и устойчивости профиля искусственного 1яжа. Выведены расчетные зависимости для проектных параметров >двоцного волнолома и искусственноотсыпанного пляжа а системе ис-гсственного рифа и разработан экспрессный метод оценки берегоэащит-ix качеств существующих и новостроящихся сооружений.

Практическая ценность работы. На >зе сопоставительных экспериментальных исследований разработана этодикя физического моделирования процесса взаимодействия ветровых злн с седиментным дном при экспериментах в волновом лотке БИГС. 5эработаны экспериментальный метод разделения систем прямых и граженных волн и метод модифицированной передаточной функции для ленки поля волновых скоростей. На программном языке FORTRAN 77 целана численная реализация математической модели процесса вэаимо-эйствия нерегулярного волнения с искусственными рифами. Разработа-a рекомендации по техническому расчету искусственных рифов.

В прикладном аспекте, применение результатов диссертационной аботы позволяет исследовать и проектировать берегозащитные сооружена типа "искусственный риф". Разработанные экспериментальные мето-ики и методы применимы яла широкого спектра лабораторных исследова-ий как с регулярным, так и с нерегулярным волнением в условиях олнового лотка БИГС. Часть созданных компьютерных программ позво-яет проведение численных экспериментов для оценки трансформации олн и устойчивости пляжа в системе искусственного рифа при варьи-овании в широком диапазоне значений исходных характеристических араматров, а остальные компьвтерные программы являются расширением усовершенствованием наличной системы автоматизации лабораторных кспериментов.

Реализация результатов работы. Методологические результаты диссертационной работы по вопросом •идравлического моделирования и обработки экспериментальных данных юалиэованы в практике БИГС и способствуют расширенно номенклатуры !абораторных исследований и усовершенствование автоматизированной

- б -

системы волнового лотка БИГС. Они применены при выполнении ре исследовательских и проектных работ: .модальные исследования берег защитных решений г.Коварно и курорта Китен: модельные исследовак новых конструкций сооружений для берегозамиты: исследования волное го потока над подводной песчаной карьерой и др.

Разработанная методика расчета трансформации волн и ycToav вости пляща искусственного рифа. как и экспрессный метод ol^ проектных параметров этих сооружений использованы в фазе проектир вания берегозошиты в районе г.Балчик.

Аппробация работы. Основные результаты рабе докладывались на Симпозиуме МАГИ по масштабным эффектам (Торонт Канада, 1986г.). на IV конгрессе Морской ассоциации стран восточнс Средиземноморья - IMAEM (Варна. 1987). на 15-ой, 17-ой, 18-ор 20-ой сессии Научно- методологического семинара гидродинам* (Варна, 1986, 1988. 1989, 1991), на Международной конферет. "Проблемы • берегозащитной гидротехники в условиях Болгарскс черноморского побережья" (Верно. 1990).

Объем работы. Диссертация состоит из введение, па глав. основных выводов по работе, перечня литературы; общий объ диссертации /и/ страниц, в том числе .{сУч'7 страниц текста.

КРАТКОЕ СОДЕРЛСАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматриваются факторы, обуславливают актуальность применения искусственных рифов в качестве продольн берегозащитных сооружений и необходимость разработки доступно инженерно- применимой математической модели взаимодействия нерег лярных волн с этими сооружениями и с седиментным дном. Исходя современного состояния изученности проблемы сформулирована основы цель исследования и перечислены конкретные вопросы теоретической прикладной гидравлики. требующие научно- обоснованного решения являющиеся основными задачами диссертационной работы. Коротко да оценка актуальности. научной новизны и практической ценное диссертационной работы.

В первой главе анализированы преимущества и н достатки спектрального и . статистического подхода при оценке тран формации нерегулярных волн на мелководье. Приведен обз математических моделей японских, голландских, русских, амвриканск и других авторов, среди которых модели Лонге- Хиггинса. Крылов Бари. Давидана - базированные на спектральном подходе: моде Торнтона. Годы. Коллинза. Куо. Леонтьева - на основе статистическо подхода и модели Батие. Масе. Исобе, применяющие статистическ подход и концепцию индивидуальных волн. Сделан вЫвод об отсутств подходе- щей модели, описывающей процесс взаимодействия нерегулярн волн с сооружениями типа "искусственный риф" и для разработ

еретической постановки исследовательской проблемы выбраны птистический подход и концепция индивидуальных волн.

Дальше сделан анализ существующих методов расчета параметров аивидуальных волн до и после их обрушения, развитых в рамках кона сохранения потока энергии и при учете решений классической цродинамики. Отмечены основные особенности стационарных решений, пользующих метод лимитирующих волновых параметров (Ле Меоте, регрин. Дийн. Сато. Яиегард). В подробностях рассмотрен механизм =сипации волновой энергии в прибойной зоне и приведены известные эретико-эмпирические расчетные зависимости. как например эависи-сти Батие, Свендсена. Масе. Торнтона. Хорикавы, Мацутоми, Шемдина др.. базированные на энергетическом подходе. Для оценки достовер-сти и границ применимости существующих методов расчета трансфор-ции и обрушения волн принята классификация Ле Меоте. использующая раметр Урселла в качестве характеристического. Рассмотрены ловия применимости различных критериальных зависимостей для раметров волн в точка их обрушения.

Приведен обзор критериев устойчивости профиля пляжа и моделей реформирования седиментного дна. В нем нашли место критерии льдса. Ленхофа. Богарди и др.. а также и модели Хатори- Ковоматы. лермайера, Дебольского и Исобе, оценивающие общую форму развития офиля пляжа, с одной стороны, как и более прецизные модели Дийна и онтьева. базированные на законе сохранения массы, с другой.

Сделана оценка функциональных особенностей продольных бервго-щитных сооружений и в частности - искусственных рифов. Определены ловия, при которых искусственные рифы являются целесообразным шением берегоэащиты. Перечислены экологические и эстетические ображения применимости этих сооружений.

В результате анализа известных работ определены конкретные :учно~ прикладные проблемы, которые требуют дальнейших исследований которые являются основными задачами диссертацис^нной работы.

Во второй глава сформулирована теоретическая >становка задачи взаимодействия нерегулярных волн с искусственным кром. Рассматривается двухмерное волновое движение несжимаемой щкости со свободной поверхностью. Волны считаются ветровыми, ¡ладающими ■ уэкополосным спектром и подходящими под углом Q к ipery: глубина воды ограничена, о рельеф дна И профиль искусственно рифа аппроксимируются конечным числом прямолинейных участков. |к это показано на рис.1. Выбрана Деккартовая координатная система cz. где х- горизонтальная ось. направлена к берегу, а ось z направ-зна вертикально вверх (см. рис.1). Принимаются следующие базовые зедположенин:

а) принимается концепция индивидуальной волны, согласно кото->й каждая волна в цуге нерегулярных волн трансформируется независи-з от остальных. а статистические характеристики нерегулярного роцесса описываются линейной суперпозицией параметров индивидуаль-jx волн:

Рис 1. Схеме теоретической постаноЬки исследовательской проблемы

61 для описания трансформации индивидуальных волн до и пос их обрушении используется энергетический подход:

а (смЕ) с!х

N

£ — П £

функция диссипации;

(1)

(2)

в) в мелководной зоне до точки обрушения считается действ : 1-лыюи теория волн малой амплитуды, а диссипацией волновой энерг нииши пренебречь, т.е.:

а (сяЕ)

<1х

= О ;

(3)

1 I диссипация энергии прибойного потока описывается теори

бора:

а 1Н Ь" )

ах

ди Т

(4)

Коэффициент М вводится автором настоящей разработки с цел учета различий между диссипацией. вычисляемой по теории линейно бора и диссипацией в рассматриваемом случае переменных глубин:

М

1 + 64(1+0.0625), при 1>-0.0625:

(5)

д) ширина подводного волнолома в системе искусственного ри соизмерима с длиной волны. а при прохождении над волноломом вол теряют часть своей энергии за счет трения и фильтрации:

(б)

где символом волны.

- отмечено, что произведено осреднение по перио

э V»-, и V*. соответственно, горизонтальный и вертикальный коэффи-енты проницаемости набросного материала, а Д - толщина набросного юн:

е) сгонно- нагонные колебания среднего уровня воды оценива-ся применением уравнения баланса моментов:

Л Эх« _ . „ у, М .

—:- = - р д п г--(Э)

с1 X " й X

ж) влияние нерегулярного характера волнения на трансформацию гдивидуальных волн учитывается включением амплитуды прибойных 1ений в выражении для глубины воды. Рассматриваются два предельных гучая - максимальное повышение и максимальное понижение среднего ювня, т.е.:

ъ ■» <1 + г) ± с ; (9)

з) условия обрушения волн и устойчивости искусственного пляжа жсываются эмпирическими критериями.

Математическая модель исследуемого процесса включает:

- уравнение трансформации параметров индивидуальных волн ?ристав искусственного рифа до точки их обрушения:

Н = г 1 + Сх с, соэЮ.К^»

Нх 1-1 + 6 с соз(а) •« ' II

- уравнение трансформации параметров индивидуальных волн, роходящих без разрушения над подводным волноломом искусственного пфа:

3. = г 1 4- __ ч

Н I- бэт С2кЬ-нз1пМ2к11) ЗаапЬОФ) *

0ХР С" 2КЬ+а1пЫ2кЬ) ШМв> 1 :

■а ,

- критерий Годы для условий обрушения индивидуальных волн:

-4^= А{ 1 - ехр[-1.5 ^ (1 + «1*'ЭП> ; (12)

- уравнение трансформации прибойного потока над подводным олноломом искусственного рифа: .

- 10 - J

HI _ f , Cr- Hjc ч r 4 M H„xb(l-5)

H„ l- 12Я hx * L

3 g- T <a-hbh)h + h1'* ] exp ( kx ci ) ; (13)

- уравнение трансформации прибойного потока над искусственнь пляжем рифа:

»-•-! ¡Л ♦

л

- уравнение сгонно- нагонных колебаний среднего уровня воды мелководной зоне:

И - " 4" 4? с -ТЕ С G + (^б)сов'в)) ] : (!5)

зависимость амплитуды прибойных биений от волновь параметров на глубокой воде:

4- - 0-01 Но» С ^ П + ~ >)_1'а : (16)

oe k оэ "оо J

- критерий Богарди для оценки размеров зоны локальной эрозии

1 _ д Роо

(17)

критерий Халермайера для 4 оценки общей формы раэвити аккумулятивного или эрроэионного типа профиля искусственного пляжа:

< 0.6 (13г)и - аккумулятивный профиль.

(18)

> 0.75 (11г)и - эрозионный профиль.

статистически представительные значения высот волн опре делястся по:

- г — = н- г l и 1. 1 >

(19)

В третьей главе приведено описание зкспери ментального оборудования (рис.2), включающего: волновой лоток разме рами 30.0x0.8x0,8м с гидравлическим поршневым волнопродуктором систему волногасителей: 12-канальный волнограф "ИМ-12" солротиви тельного типа для измерения отклонений свободной поверхности реверсивную микроеертушку для измерения максимальных орбитальнь скоростей на разных горизонтах: бесконтактный измеритель профит седиментного дна.

* Описано техническое обеспечение системы автоматизации лаборо

к

рис. 2. Схема и тэхническе обеспечение волнового лотка ГЛ БИГС

горных экспериментов, которое включает высшеутюмянутые измерительные 1риборы аналогового выхода. а еще и аналога- цифровый преобразователь и ЭВМ PDP 11/45 с соответвупщей периферией - монитор VT125, <онсоль оператора LA36, плотер PL204, жесткие и гибкие магнитные чакопители информации, обеспечивающие возможности переброса данных к 1ерсональному компьютеру и к 32-битовой ЭВМ и MVAX. Аналоговый быстродействующий самописец "YOKOGAWA 9045" предусмотрен для визуальной информации в процессе регистрации экспериментальной информации. Эбмее число одновременно регистрируемых и обрабатываемых измерительных каналов ~ 8.

Изложена методика физического моделирования взаимодействия нерегулярных волн с искусственными рифами, базированная на применении двух разных типов физических моделей - с жестким и с подвижным дном. Первый тип моделей используется для исследований кинематических параметров волнового потока. Геометрические масштабы определяют-

ся в соответствии с критерием подобия Фруда, при учете условк автомодельности по критерию Рейнольдса. Анализированы аналити! эмпирические зависимости масштабного коэффициента размера элемент подводного волнолома, обеспечивавшие подобие обтекания и фильтрат Для оценки влияния масштабных эффектов сил поверхностного натяже!^ в сочетании с краевыми модельными эффектами проведена серия лабор торных экспериментов. Получена следующая эмпирическая коррекцион> зависимость высот нерегулярных волн:

1 + тс:[ а1" от5)31 • (20)

где значения коэффициентов А* и Аа определены по результатам (• дельных экспериментов.

Второй тип моделей используется для оценки литодинамичес» процессов в береговой зоне при наличии искусственных рифов. С цел выбора геометрических масштабных коэффициентов этих моде.» проведена серия сравнительных лабораторных экспериментов. Выпол!-моделирование по Фруду. на основе четырех разных методик получе масштабные коэффициенты, представленные в табл. 1.

табл. 1 Масштабные-коэффициенты и материалы моделирования

Модели Геометрические масштабы Искажение X а ракте ристики модельного материала Вид модельного материала

1. Х.Нода Мн=1:12 HL=1:12 1 ЗГо=2.бЭ .. D =0.16 песок

2. Хьюз Мк=1:12 М«.=1:18 1.5 Тв=2.63 D =0.16 песок

3. ФЦЛГ М«=1:33 ML=1:50 1.5 Уо=1- 44 ' 0 =0.46 поливинил-хлорид

4. Е. Нода Мц=1:80 М!=1: 200 2.5 7в=1.55 V =0.20 бакелит

Лабораторные эксперименты проведены с генерированием per лярных волн в диапазоне 0.02<Н<0.16м. 0.42<Т<2.9с, 1: 15>H/L>1:80.

Ha рис.3 представлены результаты для равновесного профи дна, полученного на четырех исследованных 'лабораторных моделях г эквивалентных условиях волнового воздействия. Видны существен* различия- подводного рельефа по всему протяжению искусственного рис; что хорошо согласует*©« с основными выводами анализа результат 'сравнительных экспериментов, а именно:

применение методик X.Ноды и Хьюза оправдано при геометр .ческих • масштабах меньше 15 и в случаях, когда целью эксперимек является качественная оценка локальных изменений донного релье

Рис. Э. РаЛноЬкныу профиль дна

епосредственно за подводным волноломом;

применением методики ФЦЛГ обеспечивается корректное ачественное моделирование общих изменений подводного рельефа вплоть о очень мелких глубин;

лабораторные исследования литодинамических процессов при сказиэнии геометрических масштабов от порядка 2.5 и выше (методика .Ноды) и при применении мелкозернистых седиментов (Вяо=0.20мм) арактериэуютса значительными масштабными эффектами, приводящими к иктивному увеличение интенсивности эрозионных процессов в мелковод-ой зоне.

Разработаны и аппробированы два метода разделения систем |рямых и отраженных волн, которые являются расширением программного >беспечения системы автоматизации сбора и обработки данных. Первый 13 этих методов относится к экспериментам с регулярным волнением и ¡азирован на формулах Хили. Второй метод основан на теории инвариантов и на преобразовании Гильберта, в предположении о действитель-юсти приближения геометрической оптики и адиабатичности волнового 1роцесса. Преимущества метода состоят в том, что он не требует 1рименения дисперсионного соотношения, не ограничивается в рамках чинейной суперпозиции волновых гармоник и возможно его использование 1ри косом подходе нерегулярных волн.

Верификация разработанных методов осушествлена проведением лабораторных экспериментов и сопоставлением экспериментальных результатов. полученных в БИТ С и ВНИИ ВОДГЕО, как это показано на эис:4.

На основе метода передаточной функции разработан и верифицирован модуль программного обеспечения автоматизированной системы эолнового лотка, осуществляющий оценку волновых скоростей по данным лабораторных измерений отклонений уровня свободной поверхности. Вид передаточной функции заимствован из линейной теории волн и теории функции тока Дийна. а именно:

г т .» , _ 27Г созМкг)

ИЬ.Т.г) - -у- дтнКтаТ,)

= 1 + ^ С I ♦ н!п 1 •

II \\ - численная модель,/36/ . В0ЛГЕ0 о #кспврим»мгпы, /37/

\У о 0

— — ______ 8

» в о & 0

2 4 в 8 О к б

Рис. результаты численных и модельных эксперилинтоб определений коэффициента отражения Ся & случае бертикальной стенки с болногасяи+и« а&орВером

— 0

0 о

о г

< о 1 у — --

о -ВОЛГИ) о Бигс

_ э

-

1.0 II 1.2 1> 1.4 1,5 I 1,6

Рис Коаффичиент отражения Сд Ь зависимости от частот линейно модулированных Ьолн

Оценка применимости метода при экспериментах в гидротехн ческом лотка БИГС основана на результатах лабораторных зкспериме тов. в которых максимальные значения орбитальных скоростей эарегис рированы при помощи реверсивной микровертушки. Рис.5 иллюстриру результаты верификации метода для разных относительных глубин в дв горизонтах под Свободной поверхностью.

Сравнение максимальных значений орбитальных скоросте определенных по линейной теории волн на основе экпериментальн полученных значений высот волн с результатами разработанного диссертации метода модифицированной передаточной функции показывав что для придонной области линейная теория дает завышенные значен: орбитальных скоростей, а на мелких глубинах в некоторых случа результаты прим'енения линейной теории ближе к экспериментальны

0.56

/

/

/ • а кспе&им» ит

0.50 0,5г

0 56

0.62 iL

ммпф

Рис. 5. Размах остальных скоростей по ММПф и по данным эксперижентоЬ t ЬсимйЬом м>тйе БИГС

ihoko. предлагаемый автором метод является хорошей аппроксимацией ^спериментальноизмеренных скоростей в практически достаточно широ-эм диапазоне глубин и на разных горизонтах под свободной поверх-зстыо, что делает его предпочтительным для применения при экспери-гнтах в волновом лотке БИГС.

В конце третьей главы представлена система автоматизации 5ора и обработки данных экспериментов' в волновом лотке БИГС рис.6). в которой на модульном принципе включены разработанные в эмках диссертации методы , и компьютерные программы для определения

Г"

г^г------------------------1

j (JjMocj^Afc создании и лрео&ра)оЬзнцй бремвины* pegoЬ :

»1 SUE

тг

►) tfutl

ЧТ I _____I

1.

CAL

тг

Моду«» йрабогоки ЬррядоЬ 2. m

_ ampl

J^cr

с

I__

AMOfl

! SPEC

Ч МОМЕ

- J

0.64

ИХ0

Рис. 6. Схема программного обеспечения автоматизированное систслы fcoAHütcw »omka БНГС

коэ'ффициеитов прохождении и отражения и для оценки орбитальн! скоростей нерегулярных волн, что по существу является расширением усовершенствованием системы автоматизации.

В четвертой главе приведены результаты лаб< раторных исследований и данные натурных наблюдений трансформации ps гулярных и нерегулярных волн в береговой зоне с и без наличия искус ственного рифа. Проведена верификации предложенных в диссертвционис работе теоретической постановки и математической модели и разрабс тана численная модель исследуемого процесса взаимодействия волн искусственным рифом.

Лабораторные исследования реализованы в двух этапах. На nef вом этапе проведена волидация разработанных теоратико- эмпирически зависимостей трансформации индивидуальных волн (ур.10*16) и функцк распределения высот нерегулярных волн над дном, аппроксимированнь конечным числом прямолинейных участков. Прототипом физической модел послужил характерный профиль рельефа дна в районе Шкорпиловш-Модель построена с жестким дном в масштабе 1:25 без искажение Параметры воздействующих волн выбраны в соответствии с данны»< натурных наблюдений, шторма от 15.10.1977г., зарегистрированны!> Волноисследовательской станцией Шкорпиловци Института океанолога БАН. При модельных экспериментах с регулярными волнами задан диапо зон натурных частот 0.1-0.3 Гц и диапазон крутизны индивидуальны волн 0.01 - 0.07.

Анализ экспериментальных результатов первого этапа исследо ваний позволил уточнить эмпирические коэффициенты в критериально зависимости Годы <ур.12) и в зависимости (20). учитывающей эффект сил поверхностного натяжения. Экспериментальнополученная оценк коэффициента отражения индивидуальных волн от подводного волнолом подтверждает ■предположения теоретической постановки об его малост по сравнению с коэффициентами прохождения и диссипации волн. В цело математическая модель учитывает адекватно влияние подводного вояно лома на диссипацию энергии проходящих разрушенных, обрушаюиихся неразрушенных индивидуальных волн, что иллюстрировано на рис.7. Пр экспериментах с нерегулярным волнением доказано, что математическа модель автора описывает трансформацию не только статистически пред ставительных волновых параметров. но и функции распределения высот которые на предельном мелководье отличаются существенно от Релеев ской функции распределения, как это показано на рис.8 и в таблице 2

Второй этап лабораторных экспериментов направлен на оценк условий переформирования подводного рельефа в районе искусственног рифа и верификацию соответствующих теоретико- эмпирических эави симостей, включенных в математической модели исследуемого процесс (ур. 17 и 18).

Эксперименты проведены в волновом лотке ГЛ БИГС на искаженно модели с подвижным дном, применяя методику моделирования, выбранну в главе 3 диссертационной работы. В качестве -модели седимантного ма териала пляжа использован поливинилхлорид: модель подводного волно

0.040

ИДо 0 0)5

0,015

л / /

/ -у- д

1 / У начала р ифа

i ¿ * л"4"""- / /

й ч ч Ч ч '" "'S

1 д f- ч ч

0.020 0,040 0,060 0.060 О.ЮО 0.

20 0,140 0.160 h/Lo

Pue. la. Трансформаций иидиби^уальмеи Ьоли на) искусстЬанмы* рифом

100 Н/Нь 0,90 ■

Lo = 1.936 ».

0,70 L-

0.40 0.30 0,20 0.10 0.00

1 / 7

1 томко г оСрушекця il „ Iii Iii к / /' у

1 !

7AÏ

/; V Ь / Í

У 1

И * Л

теория Ho/La ЯГ/Н0 Экт. 0.009 6 03 а 0 026 1.91 » 0.04Э 1.00 . ♦ 0.059 0.81 •

А ---

/ У

h/di,

Рис. 75. бысоты прийоииогй потока над искусстЬеииы*

Ьолиолслом гри разных крутизнах boagnjcmbytûiueio Ьошсниа

Табл. 2. Статистические параметры нерегулярного волнения в четырех рассматриваемых створах модели

Глубина Ь Нгто» Численная мэдель Эксперименг По релеевской функции

Н Нх^ю Н Иг/э Нгую Н Нх^з Нг/хо

0.230 0.0340 0.0287 0.0507 0.0761 0.0281 0.0506 0.-0704 0.0295 0.0433 0.05313

0.092 0.0378 0.0560 0.0817 0.0017 0.0311 0.0567 0.0769 0.0327 0.0537 0.05901

0.059 0.0273 0.0253 0.0360 0.0472 0.0252 0.0369 0.0409 0.0237 0.0388 0.04273

0.031 0.0199 0.0198 0.0243 0.0266 0.018У 0.0253 О.ОЗОЫ 0.0172 0.0283 0.03109

непосредственно перед по^Ьс^иы* 6олноы>мвм

} на глубине 0.060 м 6 модели (1.5* Ь натур!

0.4 0,8 1.2 1.6 2,0 2.4 Н. м

модельный «ксперименго

—--------- численная моделе

---Релее&ская функций

2) непосредственно за подЬо^ным Ьолхоломом

Цфд модельный эксперимент "■— — чисдеммая модель

---ре*ееЬск*я функций

2 > на »лубиие 0.0308 * & модели I 0,77 м 6 натуре

1.2 1.6 2.0 2.4 Н.м

Рис. 8- функции распределения Ьмсот нерегулярная Ьо*м Ь окрестности подбодною ЬолноАома

эма выполнена наброской из шебня. При экспериментах генерированы »к регулярные волны с разными периодами и крутизной, так и нэрегу-грное волнение. соответствующее спектру развитого шторма от 5.10.1977г.

Анализ экспериментальных результатов исследования условий экальной эрозии- показывает, что размер эрозионного участка зависит (Пяественно от параметров проходящих волн и эта зависимость описыва-гся критериальной зависимостью Богарди, что определяет выбор пос-эдней для целей математического моделирования процесса переформиро-зния пляжа в системе искусственного рифа.

При помощи линейного регрессионного анализа получена слвдую-зя зависимость для размеров зоны локальной эрозии непосредственно а подводным волноломом:

= 0.08172 + 0.01625 , ~ 1-2

(23)

= 0.01000 - 0.04267 . -^Н- > - 1.2 .

Сопоставление общей формы лабораторнополученних равновесных рофилей подводного рельефа с численными результатами модели алермой'ера. где критическая глубина движения наносов определена по овисимости:

еы|= = [ 0.03 У дП= ] ов (24)

оказывает. что даже без дополнительной отладки эмпирических коэф-ициентов. модель Халермаяера вполне применима для целей исследова-ельской задачи.

Проведено сравнение равновесных профилей подводного рельефа ри воздействии регулярных и нерегулярных волн. На этой основе делан вывод о применимости однотипных зависимостей для размеров они локальной эрозии и для общей формы развития пляжа, при спользоваиии Нгаа в случав нерегулярных волн.

На основе результатов модельных экспериментов и после кон-рвтизации математической модели разработана численная модель сследуемого процесса. Алгоритм модели представлен на рис.9, опользованы принципы структурного программирования и программный зык FORTRAN 77. Реализация осуществлена на персональном компьютере ипа IBM XT. 4MHz. 512К RAM. 20MB HDD. 360K FDD, операционная истема DOS версия 3.10 и стандартный софтуер.

Компьютерная программа пользуется зараннее подготовленным юйлом входящей информации: аппроксимированное конечным числом пря-юлинеиных участков дно, параметры волн на морской границе численной юдели. шаг дискретизации модели. Работа программы организована в 1вжиме диалога с оператором. Процесс выполнения алгоритма сопут-:твуется выдачей сообщений с текущей информацией для хода итераций и

( НАЧАЛО )

á Входные данные:

. НШ ,ТЦ), (I = 1,М) индибидуальные болны 3o,d(lK) , DL(IK) ,ON(lK) параметры рельефа дна ^50 . ^90 характеристики седиментного материала

Ifíapawgmpw Ьолн на глубокой ю^е Нр(1 ). П = 1. М)

[Начальный профиль рельефа дна х(к) , d(k) (K=1,N) |

Boicoma при5ойного потока Н(к> при глубине h(k) = d (к > ■*■ Г

козфициент . 93 .

прохождения Су

Cc£á¡t£í:E5yti5tttLíUit!;5e ¿iialjeiitii "ЬыЕаШ 11?{ЬТ7ПГ=ТТП |

|||»«е||епчя cptjjiiBjo уриЬни води ^ík), il<-l,N)

--------^—

__ у**нет 1_

(ТЪ-1 d(К ) = d( к ) + 7(К), (к = 1. N ) |

(Тангенциальные скорости U„(tO tk=1.N) |

["критерии форм разбития пля>ка Fr*' , Ucr |

I ПЕЧАТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ~ ]

■ у —~—:-1

С КОНЕЦ )

Рис.9, Схема алгоритма' численной модели ЬзаимодейстЬия нерегулярных болн с искусственным рифом

лы возникновения логических ошибок. При окончании вычислений ормируется файл результатов. содержащий: а) входящую информации о олновых параметрах на глубоководной границе модели; б) критические олновыв параметры: в) тип профиле искусстввнноотсыпанного пляжа; г) вв таблицы. содержащие полную информацию о значениях исследуемых араметров в функции от расстояния до береговой линии.

В пятой главе.рассмотрены возможности применения аучных и методологических результатов диссертационной работы для ешэниа прикладных задач.

Основные методологические результаты диссертационной работы бобщены и изложены в виде рекомендаций по проведению гидравлических юдельных исследований. В принципе они уже реализованы в практике ИГС и являются вкладом в расширение номенклатуры лабораторных ис-ледований и усовершенствовании автоматизированной системы волново-

0 лотка Б ИГ С .

Разработан экспрессный метод оценки гидравлических и геомег-ических параметров подводного волнолома и искусственного пляжа в :истеме рифа. Метод основан на анализе и обобщении результатов юбораторжзх и численных экспериментов автора диссертационной работы

1 сочетай с уже утвержденными в практике расчетными зависимостями [ля размеров элементов наброски переливаемых сооружений.

Разработана методика расчета трансформации волн над искус-:твенным рифом и устойчивости профиля искусственного пляжа. Методика федусматривает применение экспрессного метода и представленной в [иссертационной работе численной модели, совместно с результатами ¡абораторных экспериментов. .

Показано применение экспрессного метола и методики расчета и»г» (|г1-ч|нцм*м||1и *>ч|<|нн мн^м нчй1кпш и ^йннцн мй<(;||1»»4

' ОС1|ОШМ£ ьыволы

1. Большое разнообразие подходов, моделей и методов .оценки •рансформации ветрового волнения и его воздействия на седиментное :но обусловлено сложным характером природного явления и широким -•пектром прикладных задач берегозащиты, требующих разнообразной шформации о параметрах физических процессов в береговой зоне моря. .

В работе рассмотрены характерные особенности искусственных >ифов. Выяснено. что исследование и проектирование таких сооружений >атрудняется из- за сложности математического описания и из- эа юличия методологических проблем физического моделирования процесса 1'х взаимодействия с волнением. Так как функциональным предназначени-¡м искусственных рифов является деструкция профиля и диссипация анергий волн, то теоретическая постановка исследовательской задачи обязательно требует рассмотрения эффектов нерегулярности и затухания эаэрушенных волн на мелководье.

Приведенный в диссертационной работе анализ существующих " математических решений доказывает, что подходящим аппаратом для опи-

сания трансформации волновых параметров вплоть до линии уреза пр наличии локальных неоднородностей рельефа оказываются статистически подход и концепция индивидуальных волн.

2. На основе закона сохранения энергии и при помощи уравнанн теории волн малой амплитуды и теории бора разработана теоретическа постановка процесса взаимодействии волн с искусственным рифом учитинаюшая сгонко - нагонные колобами« и прнбойныо Сиешпи. Кири гулирнои аолиишю ирвдо'тоилино совокупностью индииидуальних волн разными высотами, распространяющихся на мелководье независимо дру от друга.

Для склейки решений в точке обрушения волнового профиля ис пользована эмпирическая зависимость Годы. Диссипация энергии вол над подводным волноломом учтена путем добавления в уравнения транс формации членов, содержащих коэффициенты сопротивления поверхности фильтрации в тела волнолома.

Для оценки устойчивости профиля искусственного пляжа математической модели включены эмпирические критериальные зависи мости.

3. Существующие методики расчета параметров волн в прибоино зоне ориентированы на регулярное волнение и не рассматривают литоди намические изменения рельефа дна. Это приводит к необходимост проведения соответствующих экспериментальных исследований услови разрушения волн над искусственным рифом и особенностей переформиро вания искусственного пляжа в системе рифа. Последнее связано усовершенствованием экспериментального подхода в смысле аппробации выбора методики физического моделирования гидро- и литодинамически процессов. оценки масштабных и модельных эффектов и расширения-усовершенствования автоматизированной системы сбора и обработк данных в лабораторных условиях волнового лотка БИГС. С этой цель проведены сопоставителные экспериментальные исследования и выбран методика физического моделирования процесса взаимодействия волн искусственным рифом. Реализованы экспериментальный метод разделени систем прямых и-отраженных волн и метод модифицированной передаточ ной функции для оценки поля волновых скоростей, которые применяютс с успехом для широкого спектра исследований как с регулярным, так с нерегулярным волнением.

4. Верификация математической модели исследуемого явлени проведена путем сравнения натурных. модальных и вычислительны результатов трансформации нерегулярных волн над пологим дном отсутствии искусственного рифа. Эмпирические коэффициенты критериальных зависимостях обрушения волн и устойчивости пляжа системе искусственного рифа уточнены на база лаборатории экспериментов и сравнения с результатами исследований други авторов. Статистические параметры нерегулярного волнения являющиеся характеристическими для процесса общего развития профил: пляжа и для размеров зоны локальной эрозий определены по результата; лабораторных экспериментов в волновом лотке БИГС.

/

Разработана численная модель исследовательской задачи. Реали-эция модели на программном «зыке FORTRAN 77 соображена с возмож-эстями персонального компьютера IBM XT и совместима со стандартным атеистическим и графическим софтуером.

5. На основе анализа и обобщения результатов лабораторных и нслвнных экспериментов выведены эмпирические зависимости вометрических пораметров подводного волнолома и искусственного ляжа в системе рифа, которые включены в разработанный экспрессный етод 'оценки гидравлических и геометрических проектных параметров ооружений типа исскустаенного рифа. Применение экспрессного метода екомендуется при сопоставительном анализе берегозащитных качеств участвующих и новостроямихся сооружении, как и для приблизительной иенки влияния отдельных факторов и для формирования начальных вари-нтных решений на фазе идейного проекта берегозащитных сооружений.

6. Разработана методика расчета трансформации нерегулярных олн над искусственным рифом и устойчивости профиля искусственного ляжа. Последовательность расчета предусматривает совместное приме-ение зависимостей экспрессного метода и разработанной численной одели, а сочетании с лабораторными экспериментами с целью олтимиэа-ии геометрических параметров сооружения при заданных характерис-иках седиментного и набросного материала.

7. Применение полученных прикладных результатов исследования заимодействия нерегулярных волн с искусственным ' рифом позволяет роектировать параметры подводного волнолома и искусственного пляжа, ак это показано для конкретного объекта берегозашиты на Болгарском ерноморском- побережье. Вследствии внедрения методики физического юделирования литодинамических процессов и модулей программного беспечения автоматизированной системы сбора и обработки кспериментальных данных расширен спектр. повышено качество и еяуцированы сроки выполняемых научно- исследовательских работ в идротехнической лаборатории болгарского института гидро- и эродинамики.

Основные положения диссертации опубликованы в следуют работах автора:

1. Пенчев B.C., Соткова М.А.. Драганчева Д.Х., "Сравнение м< тодов экспериментального моделирования устойчивости пляжа за подво.1 ным волноломом". Материалы симпозиума ИАГИ по масштабным эффвкта( Торонто. Канада, 1986, (на английском языке).

2. Соткова М.А., Кюлевчелиев С,Н., "Численная процедура д; оценки отражения волновой энергии от непереливаемых морских гидре технических сооружений". Материалы 15-ого научно- методологическог семинара по гидродинамике.Варна.Болгария.1966,(на болгарском языке]

3. Масс Е.И.. Михнюк A.A.. Соткова М.А.. "Отражение нерег) лярных волн от берегозащитных сооружений". Материалы IV-oro конгрес са Ассоциации стран восточного Средиземноморья (IMAEM). Варне Болгария. 19Э7. (на английском языке).

4. Масс E.H., Соткова М.А.. "Некоторые проблемы автоматизаш-гидравлических модельных экспериментов в волновом лотке". Матариа.; 17-ого научно- методологического семинара по гидродинамике, Варне Болгария. 1988, (на английском языке).

5. Соткова М.А.. " Исследование берегозащитных сооружени типа вертикальной стенки с прикрытием набросного типа". Материал научно- практической конференции "Состояние исследований зашит природных ресурсов Барненского региона". Варна, Болгария, 1989. (и болгарском языке).

6. Соткова М.А.. Кантаржи И.Г.. "Модельные исследовани искусственного рифа", Материалы международной конференции "Пробле!» берегозащитной гидротехники -в условиях Болгарского черноморског побережья", Варна, Болгария. 1990, (ha английском языке).

7. Ванг Ш.Г.. Гу Ю.Я., Драганчева Д.Х., Соткова М.А., Николе X.. "Численная модель седиментного транспорта в условиях болгарског черноморского побережья". Материалы международной конференцй "Проблемы берегозащитной гидротехники в условиях Болгарског черноморского побережья", Варна. Болгария. 1990. (на английско языке) .

8. Соткова М.А., Стоянов Л.. Пенчев B.C.. "Исследовани волнового режима в районе подводной песчанной карьеры". Материал международной конференции "Проблемы берегозащитной гидротехники условиях Болгарского черноморского побережья". Варна. Болгария 1990. (на болгарском языке).

9. Дай Г.И., Ванг Х.Я.. Пенчев B.C.. Соткова М.А.. "Эиспери ментальное исследование продольных берегозащитных сооружений". Мате риалы симпозиума HADMAR'91. Варна.Болгария.1991.(на английском языке