автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлические расчеты загрязнения при дампинге грунта в приустьевой части заливов

--- ^

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОНЦЕРН ПО ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОМУ СТРОИТЕЛЬСТВУ ВОДСТРОП

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ И МЕЛИОРАЦИИ имени А. Н. КОСТИКОВА

На правах рукописи ТРУКШАНЕ Луция Язеповна

УДК 551.532.5 : 627.421

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИ ДАМПИНГЕ ГРУНТА В ПРИУСТЬЕВОЙ ЧАСТИ ЗАЛИВОВ

05.23.16 — Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте гидротехники н мелиорации им. А. Н. Костикова.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Е. И. Масс.

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор А. В. Мишуев; кандидат технических наук К. И. Шевченко.

Ведущая организация — ВНИИ транспортного строительства (ЦНИИС).

Защита состоится . .... 1992 г. в

« » часов на заседании специализированного совета

во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова по адресу: 127550, Москва, Б. Академическая, 44, ВНИИГнМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВН.ИИГиМ.

Автореферат разослан . .....1992 г.

Ученый секретарь совета — к. т. н., с. II. с

С, Ш. Зюбенко,

¡'¡: ...« г

! 1

» '...-!•.««>

■--т.-лел I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

мссергециД]

^¿'Уа^ьностиаботы. Береговая зона морей является сложной природной системой, допускающей вмешательство извне только при достаточном научном обосновании и прогнозе возможных последствий. К сожалению, иовестон опыт такого вмешательства без должного обоснования, приведший к серьезным негативным последствиям, в том числе в Латвийской Республике. Это в равной степени относится к дамгошту грунта, достаточно широко используемому в последние годы. Под дампингом грунта мы понимаем отвал грунтов в море с целью захоронения.

Демпинг грунта дае'т около 10% всех загрязняющих веществ, поступающих в Мировой океан. При этом около 80% общего обьема захороняемых материалов составляют грунты, вынутые при дноуглубительных работах в портах и подходных каналах к ним. В Балтийском море обьем захороняемых грунтов в двадцати постоянно действующих районах дампинга достигает 20 млн. м3 в год и из них около 0,5 млн. м3 в год сбрасывается только в районе свалки Вецаки. ' .

Вопросы регулирования захоронений грунтов в морской среде отражены в ряде международных соглашений. Исключительно этой проблеме посвящены, в частности, "Конвенция по предотвращению загрязнения морской среды сбросами отходов и других материалов" (Лондон, 1972 г.) и "Конвенция по охране морской среды района Балтийского моря" (Хельсинки, 1974 г.). На последней было отмечено, что Балтийское мелководное окраинное море особенно страдает от загрязнения, поскольку активно используется для целей промышленности, судоходства и туризма. В этой связи Конвенцией

полностью запрещено захоронение в районе Балтийского моря любых отходов. Исключением является захоронение грунтов, вынутых при дноуглуоительных работах, однако на ото требуется предварительное специальное разрешение компетентного национального органа, которое но может бить дано без проведения соответствующих научно-исследователььских и экспертных работ. Особо остро' такая задача встала в последнее время применительно к Рижскому заливу. Дело в том, что длительное антропогенное воздействие привело к значительному загрязнению акватории Рижского залива, накоплению загрязняющих веществ в донных отложениях, особенно на подхода к Рижскому морскому торговому порту. При производстве дноуглуоительных работ для поддержания необходимых глубин на подходном канале порта извлекаются большие объемы докных отложений. Возникает ряд серьезных проблем, связанных с их захоронением. Формирующиеся.в условиях непрерывного антропогенного воздействия, эти отложения представляют собой' материал гетерогенного состава с широким спе'кФрЬл загрязняющих веществ ^тяжелые металлы, нефтяные углеводорода, легко окисляющиеся оргашчыские вещества, биогенные элементы, хлорорганичоскио пестициды, изотопы 'радиоактивных элемотнов и т.д.), а также всевозможных бактерий. Содержание загрязняющих веществ в дошых-отложениях, извлекаемых при дноуглуоительных работах, в' большинстве случаев в значительной степени превышает их фоновые уровни в морских донных отложениях осадочного происхождения.

Оле'дует отметить, что район свалки грунта Вецаки является зоной комплексного природопользования, включая туризм и летний отдых на побережье. Учитывая напряженную экологическую обстановку

в Рижском залива в целом и в данном районе в частности, бил поставлен вопрос о переносе подводного отвала грунта Вецаки, расположенного относительно Слизко к борегу на сравнительно малых глубинах. Поэтому, тема диссертационной работы представляется актуальной. '

_ШШЮ____¿иссе^тационной_____работы яелялэсь разработка

гидравлических методов расчета влияния дампинга грунта на эволюцию пляжа и качества воды в береговой зоне. Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:

I. Сбор и анализ существующих результатов исследований и методов расчета гидравлических и экологических характеристик приустьевой части заливов применительно к проблеме дампинга грунта. ' '¿. Сбор и анализ натурных данных (гидрологических и литодянамических) для района дампинга грунта в верните Рюкского залгоа, в качестве реальной практической ситуации, требующей разработки рекомендаций по снижению негативных последствий.

3. Отработка методики расчета полей ветровых волн и волновых течений для предполагаемого района дампинга грунта и выполнение таких расчетов для ситуации в Рикском заливе.

4. Разработка математической модели эволюции профиля пляка с отвалом грунта, включая экспериментальные и численные исследования.

5. Исследование механизма переноса загрязнителя из грунта в еолновой поток и его распространение к поверхности.

6. Теоретические и .экспериментальные исследования процесса диффузии загрязнителя на границе раздела вода-грунт в условиях волновых воздействий.

V. разработка метода расчета разовых выбросов загрязнителя из грунта в условиях шторма.

В работе получены следующие новые___научные___результаты.

Рвзработана математическая модель переформирования поперечного профиля пляжа с отвалом грунта. Модель основана на чиулешюм решении уравнения баланса наносов в поперечном к береговой линии направлении. Теоретически и экспериментально получены коэффициенты формулы для расхода наносов в направлении перпендикулярном береговой липки. Предложена оригинальная методика расчета загрязнения береговой зоны в■ условиях шторма, основанная на учете изменения физико-механических свойств донных отложений под действием волновых колебаний на поверхности воды.

Практическая__значимость___;Е§5<2!Ш состоит в возможности

непосредственного применения ' по'лученных результатов для прогнозирования пере'формирования отвала грунта И загрязнения вод в результате дампинга грунта в береговой зоне. В том число, результаты работы могут быть использованы для выполнения прогностических расчетов и разработки рекомендаций применительно к охарактеризованным проблемам дампинга грунта' в вершине Рикского залива.'При этом, естественно» необходимо, чтобы заинтересованные организации ' Йредоставили необходимую исходную информацию по. технологии 'отвала грунта и концентрации загрязнителей в нем. Некоторые рекомендацции, .'связанные с прблемой дампинга грунта £г вершине Рижского залива, даны автором в опубликованных работах, а также в научно-технических отчетах, выполненных с участием автора в Гио.НИИВодполимер в 1989-1991 годах. Разработанный автором комплекс программ измерения и обработки экспериментальных данных

используется во ЕНИИ транспортного строительства для решения научно-исследовательских задач.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в двух статьях, докладывались на научно-технических конференциях и семинарах БНШГиМ, ВНИИ ВОДГЕО,, ГОСНЖВодполимер в 1990-1992 г.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы. Диссертация написана па./49 страницах машинописного текста, содержит ¿4{ рисунков, таблиц, список литературы включает 154 ссылки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теш диссертационного исследования, формулируются цель и задачи работы, дается общая характеристика диссертации, показывается ее научная новизна и практическая значимость.

Глава I представляет собой обзор существующих результатов исследований по расчету волн и' течений в береговой зоне, по транспорту наносов и эволюции пляжей, . а также по вторичному загрязнен™ водной среда при дампинге грунта. Все эти задачи рассматривались в обзоро применительно к основной проблеме диссертации. В конце главы сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

При решении вопросов, связанных с взаимодействием волн с береговым, откосом и разнообразными сооружениями, необходимо знать закономерности изменения параметров волн при их приблиютпш к берегу. Натурные и лабораторные исследования последних лет показывают, что применяемый в СНиЛо (аналогичный лучевой метод

&

рекомендуется в руководстве по берэгозащите США) метод расчета трансформации береговым откосом удовлетворительно отвечает требованиям инженерной практики. Однако необходимо иметь в виду, что этот вывод относится к достаточно' гладкому рельефу дна и к ситуации отсутствия течений. Для определения волн в заливах со сложной топографией дна и при наличии течения нормативные матодики могут быть неприменимы. Для решения задачи используются математические модели, описывающие процесс трансформации волн' с учетом изменения топографии дна и поля течений.

В настоящее время существует большое число моделей, реализующих расчет трансформации ветрового волнения. Так, для определения поля волн в прибрежной зоне моря может быть использована плановая модель трансформации волн на произвольном рельефе дна и поле течений. Б основа модели,лежит полная система волновых уравнений, описывающая рефракцию волн дном к течением.

Для определения параметров еолн в .прибойной зоне могуч быть использованы одномерная и плановые математические модели. Согласно этим моделям в каждой точке прибойной зоны волны представляют собой смесь уже обрушенных и еще необрушенных волн. В начале прибойной зоны от исходного распределения высот, волн отсекается часть, соответствующая наиболее высоким волнам. Далее по мера уменьшения глубины обрушаютбя более мелкие волны.

Таким образом, выбраны модели, которые моино ислользоветь 'для определения параметров Евтровых волн в районе демпинга грунта. Эти модели соответствуют современным представлениям о динамике береговой зоны и дают удовлетворительные результатаы.

В большинстве случаев -динамические процессы береговой зоны

моря определяют поверхностные волны и волны зыби, поле скоростей которых оказывет непосредственное воздействие на движение наносов. В процессе диссипации энергии поверхностных волн, при их взаимодействии и разрушении, возникают вторичные движения жидкости - длиннопериодпые волны, вдольбереговые точения, горизонтальная и вертикальная циркуляции, пространственные и временныо масштабы которых определяют масштабы морфодинамических элементов подводного склона и берега. Мористее зоны обрушения движение наносов происходит не только под действием поверхностных волн, но и течений различного поисховдения.

Взаимодействие волн с дном, сложенным зернистыми наносами, приводит к формированию профиля, соответствующему данному волновому режиму. Форма профиля равновесия является функцией параметров волн и физических свойств наносов. В общем случае условие изменения отметок дна можно определить га закона сохранения массы твердого вещества в. потоке при установившемся режиме:

»я. » ь. I ч »ч

-- -------- —--^ (1)

I t I I «X 1 у

где гь - локальная отиетка дна, 11 - глубина воды, t - время, х и у - горизонтальные координаты, ось х направлена к берегу, ось у -вдоль берега, ^ и ^ - компоненты транспорта наносов на единицу иирины в х и у направлениях.

Из имеющихся в настоящее Бремя физических моделей наиболее приемлема, с точки зрения ряда исследователей, модель Вояеп, в которой в качестве факторов, обусловливающих перемещение наносов к

оерегу, автор рассматривал волновой перенос в пограничном слое и -ассиметрию волновых скоростей. Обратное движение связывалось с гравитационным эффектом. Однако область применения полученных им результатов весьма ограничена, и, в частности, не может быть распространена на условие прибойной зоны.

Для определения профиля равновесия в наиболее динамической области подводного склона, включающей и прибойную зону Леонтьевым И.О. была разработана физическая модель и конкретные количественные оценки, как для регулярных, так и для нерегулярных волн, в которой в достаточной степени учтены все основные факторы, , влияющие на процесс.

В настоящее время нет общепринятых зависимостей для оценки локального транспорта наносов под действием волн и течений. Таким образом, можно сделать вывод, что мнения исследователей по поводу процессов формирования берегового склона расходятся. В имеющихся работах, как правило, преувеличивается значение одних■ факторов в ущерб другим. Непосредственное воздействие на формирование профиля равновесия оказывают волновые скорости. Возможность наиболее полного учета всех факторов, действующих на береговой склон, появилась с развитием многомерных моделей.

Направленность процесса : сорбции-десорбции зависит прежде, всего от гидрохимических условий вблизи поверхности твердой • частицы и, в том число, от соотношения -между концентрациями ингредиента на поверхности частицы и в поровой вода. Накопление' ! веществ в больших концентрациях, что особенно характерно при демпинге- грунта, ведет к изменению гидрохимической ситуации вблизи дна и способствует интенсификации процесса десорбции веществ во

внутрипоровую воду. Подробный анализ этих процессов был выполнен Ф.Г.Майранозским. Выход загрязнителей в воду происходит на стадии диффузионного массобмена между внутригоровой водой донных отложениР и придонными слоями морской воды. Этот процесс в настоящее время находится в стадии изучения, а имеющиеся расчетные методики основаны на эмпирических зависимостях, работающих в довольно узком диапазоне исследованных условий и параметров. В результате многочисленных экспериментов установлены взаимосвязи между скоростью поступления веществ из грунтов в воду и их концентрацией в грунтах. Данные экспериментов легли в основу эмпирических, зависимостей для расчета выхода исследованных элементов. Аналогичный подход использован в работах

A.Н.Несмеянова, М.А.МартыновоЙ, Д.М'.Ди Торо, В.М.Трофимова и

B.И.Машшша. Многолетние исследования перехода химических веществ из донных отлозсений в воду проводятся в Государственном гидрохимическом институте Г.С. Коноваловым и В.И.Манихинкм. Авторами разработан метод определения загрязняющих веществ, способных переходить из донных отложений в воду.

Несколько шире задачу массобмена между внутрипоровой водой в грунтах и придонными слоями воды поставил Ф.ГД'айрановский. Математическая схематизация процесса имеет вид:

* «2с„ с„

= с + к ^з . с , - сусг <2)

И »г2 "п Кр

где ср - концентрация вещества в поровой воде грунтов, Б -коэффициент диффузии, - объем активной части грунта,

участвующей в процессе массобмена, '.7П - объем пор, сч -

концентрация вещества на частицах грунта, к - константа скорости десорбции в системе грунт-внутрипоровая вода, с^ - коэффициент самоочищения внутрипоровой воды, кг - коэффициент трансформации веществ на частицах донных грунтов. В такой постановке задача может решаться только численно. Поэтому автор, делая ряд допущений, получает аналитическое решение.

Опираясь на работы С.В.Доброклонского, А.С.Китайгородского и других исследователей в этой' области, Ю.Д.Рапопорт провел, сери» экспериментов, имевших целью получение эмпирической зависимости для расчета коэффициента конвективно-волновой диффузии. Опыты выполнялись в волновом лотке, на дао которого укладывался .песок слоем мощностью 0,1 м. Засоленный .грунт помещался в приямок высотой 0,1 м, длиной I м и шириной 0,2 м. Измерение минерализации внутршгорового раствора осуществлялось датчиками-солемерами, расположенными на ризных отметках- по глубине. В процессе эксперимента производилась синхронная запись на осциллограмму параметров волн, минерализации и давления в грунта. Исследовано три типа грунта: песок крупнозернистый аср = 1,05 мм, коэф^щиент неоднородности (Си) 2,67; песок среднезершстый Аср = 0,66 мм, Си = 2,5; лесок мелкозернистый лср = 0,39 мм, а = 2,6. Анализ экспериментальных данных по йлияшда длины волны 1, высоты' н и глубины -вода & позволил поручить эмпирическую зависимость, для. :раЬчета коэффициента волновой диффузии в виде: ,

лао о* н 4-1С Ь

Х>в = 1,ЭЭ( —22 - . - ехр(- - ) . . (3)

в (1 а1'" Ь

Обобщая вышесказанное .отметим, что несмотря на очевидное

и

многообразие подходов к анализу задачи массобмена в системе вода-донные отложения, в целом она еще далека от окончательного решения. Эмпирический подход не в состоянии охватить весь спектр параметров, характеризующих процесс и в результате приводит к появлению огромного количества громоздких и зачастую противоречащих друг другу зависимостей.

Более правильным, на наш взгляд, является построение математических моделей процесса с их последующим аналитическим или численным решением. Единственным препятствием подобного подхода является неопределенность коэффициента диффузии. Последний должен определяться в каждом конкретном случае на основе экспериментальных или натурных исследований. Методика таких исследований разрабатывается в настоящей диссертации.

В главе 2 приведены кратко результаты анализа собранных материалов по гидрологическим и литодинамическим условиям для районов дамгшнга грунта дноуглубительных работ Рижского морского порта в вершине Рижского залива. Этот участок является для нас примером рассмотрения конкретной ситуации демпинга грунта. В этой же главо проанализированы современные метода расчета полей волн и течений в береговой зоне. Показано, как математические модели могут быть использованы для определения характеристик полей ветровых волн и течений в районе дампинга грунта. Выполнены расчеты для вершины Рижского зализа. Соответствующие результаты могут быть использованы для прогноза распространения.загрязнений в плана под действием ветровых волн.

С целью накопления фактического материала для обоснованного прогнозирования переработки дампингировянного грунта и связанных с

м

ней изменений экологического состояния.прибрежной полосы в 1989 -1990 г. били проведены натурные исследования в зоне свалки грунта. Полигоны.в районе свалки на глубине 8 м были оборудованы роторными площадками и треногами с установленными на них батометрами-наносонакопителями. Помимо водолазного обследования был проведен эхолотный промер по сети галсов и отбор образцов поверхностного слоя донных отложений.

В данной главе обощаются основные результаты натурных измерений, которые в дальнейшем лягут в основу теоретических моделей динамики береговой зоны. Приводится краткое описание гидрологических и литодинамических условий побережья в районе свалки грунта. На основе данных натурных измерений выполнен расчет полей волн и течений.

Общая гидрологическая характеристика Рижского залива определяется в основном такими факторами, как ветровые волнения, ветровые и волновые течения, колебания уровня моря_ и ледовые процессы. При этом последние два фактора менее значительны, поскольку приливно-отливные процессы в Рижском заливе отсутствуют.

Параметры ветровых волн ограничены 'размерами акватории Рижского залива и определяются преимущественно ветращ северо-западного и северного направлений.• Типичные шторма обеспеченностью 5% при средней скорости ветра 16-18 м/с характеризуются волнами высотой около 1,5 м и периодом 5-6 секунд. При экстремальных штормах (один раз в- 50 лет) отмечается высота волны 3,5-4,0 м. Максимум штормовой активности в пределах Рижского залива приходится на октябрь-ноябрь.

Рассматриваемый район дампинга грунта дноуглубительных работ

Рижского морского порта расположен непосредственно у восточного края устьевого бара р.Даугава. Береговая полоса восточнее молов порта образует в плако плавную дугу протяженностью около 20 км, ограниченную устьем р.Гауя.

Подводный береговой склон до изобаты 15 м имеет уклон г. среднем 1:150, а несколько глубже дно резко кшюлаживается и имеет уклон 1:500. До глубины 12 м подводный склон сложен мелкозернистыми песками со сродним диаметром 0,2 мм. Приблизительно аналогичный зерновой состав имеет отсыпанный в данном районе грунт.

В целом результаты собственных натурных измерений гидрологических и диалогических условий в районе свалки грунта, а также, донные других авторов, свидетельствуют о сложных гидродинамических процессах, происходящих е бероговой зоне под влиянием внешних факторов. В таких условиях обд(ая оценка экологических последствий антропогенного вмешательства в .естественные процессы можзт быть дана в результате построения физически обоснованных математических моделей береговой зоны, откалибровагпшх данными натурных исследований. Именно такой подход выбран наш! для решения поставленных в диссертации задач.

Математическая модель была применена нами для расчетов полей волн и течений в районе дамтшга грунта Рижского торгового порта. Полученные данные по полям волновых течений, в свою очередь, использовались для прогноза распространения загрязнений волновыми течениями..

В " главе' 3 списана разработанная математическая модель эволюции поперечного профиля пляжа с отвалом грунта. Представлены

и ,

результаты разработки численной модели, а также методика и результаты лабораторных гидравлических экспериментов, использованных для верификации численной модели.

Рассмотрим ситуацию расположения отвала грунта на глубинах, где происходит переработка пляжа. Модель додала давать ответ на вопрос влияния отвала на динамику профиля пляжа под воздействием волн. Основным уравнением динамики профиля ■ пляжа являотся уравнение баланса твердого вещества над профилем. В отсутствие градиента вдсльберегового расхода наносов уравнение сохранеиеия песка в поперечном берегу направлении имеет еид

* ± ■ ±а ' (4)

ТТ |у -

где И - локальная глубина воды, г - время, q - транспорт наносов в направлении, перпендикулярном берегу, ось "у" направлена от берега, ' Знак в правой части уравнения (4) выбирается в

зависимости от направления расхода наносов так, чтобы знаки производных в левой и правой частях (4) были противоположными.

Граничными условиями для (4) являются отсутствие переработки пляжа в точке максимального волнового наката и на глубине 1ге:

$ =0, У-Уг, У=УС (5)

Начальным условием является заданный исходный профиль пляжа 1гс(у).

Для величины расхода наносов используем формулу, предложенную Кобаяши в 1987 году

Я = е(/л - § а8"1) ' (6)

где q - расход наносов на единицу ширины прибойной зоны, 11 -локальная глубина воды внутри прибойной зош, "а" и . "е" -эмпирические параметры.

Величину параметра "о" можно оценить, если рассмотреть расход наносов в волнах над горизонтальным днем. Для определения "а" рассматривается расчет динамически равновесаогс профиля пляжа, соответствующего заданным волновым условиям и крупности штяншого материала. 'При этем получена замкнутая расчетная методика расчета динамически разновесного профиля пляжа.

Опыта по волновой переработке отвала грунта на береговом откосе боли наполнены о целью ворифдаацга математической модели по основным порауетрем. Опыты были выполнены в гидроволновом лотке ЦКИКС в 1990-1991 годах.

Гидроволновой лоток ЦНШС имеет длину 13,6 и, ширину I м и 'глубину 0,8 к. Рабочее глуб:пш в лотке до 60 см. Лоток позволяет моделфовать условия совместного дэйстшл золи и течения, водосборотная система позволяет получить средние по сечению лотка скорости течения от 10 до 60 см/с.

Волна создаются солнопродуктором типа ныряла с параболическим профилем. Волнопродуктор .обеспечивает ^ехаютескую генерацию регулярных волк с периодом 0,67 с и высотами волн дс 12 см на горизонтальном дав, Волнопродуктор лето переносится с одного конца лотка т другой, лоток снабжен автоматизированной системой измерений и обработка данных.

В опытах применялся Вольский песок со средним диаметром частиц 0,97 мм. Песок тщательно отсеивался и имел практически ' однородный состав. Исходный профиль пляжа формировался в виде бермы с плоским откосом заложениями 1:22 и 1:12. Предварительная серия опытов выполнялась на нерззмываемых откосах с теми же характеристиками. В предварительных опытах определялся режим волнения и основные параметры прибойной зоны. Протяженность горизонтальной части откоса составляла 2,5 м.

На размываемом откосе материалом той же крупности отсыпался отвал в зоне переработки волнением. В некоторых опытах геометрическая форма исходного отвала грунта практически не изменяла ■ характер . трансформации и место обрушения волн по сравнению с исходным откосом.В других это влияние было заметным. Исходная форма отвала задавалась и правильной и более сложного вида. Во всех случаях исходный отвал грунта располагался в районе обрушения волн. Основным результатом опытов было изменение отметок дно по длине берегового откоса и во времени.

. Исходная отсыпка во всех случаях размывалась, уменьшаясь по высоте и распластываясь в осе стороны: от берега и к берегу. Процесс происходил в опытах в течение от I часа до 4 .часов 45 кинут. Отметки дна измерялись' примерно через 30 минут в зависимости от скорости процесса переработки, в некоторых случаях эти измерения делались через 15 минут. В одних опытах материал по прошествии некоторого времени начинал перемещаться к урезу. В других случаях в приурезовой зоне наблюдался размыв. Такой характер поведения отвала не является универсальным, а зависит, как можно ожидать, от положения первичной отсыпки относительно

прибойной зони на откосе.

Для верификации модели необходимо било выполнить ев численную реализацию. Уравнение (4) аппроксимируется конечно-разностной двухточечной схемой. Для его решения используется явная схема.

Сопоставление результатов вычислений и данных лабораторных опытов, позволяет сделать вывод, что на данном этапе исследований нами получена математическая модель, расчета по которой удовлетворительно согласуются с экспериментальными

Глава 4 посвящена результатам ислледозаниЯ выхода загрязнителя из грунта в волновой поток. Показано, как аналитический решения уравнения диффузии загрязнителя могут быть использованы для прогнозирования выхода загрязнителя из грунта под действием волновых и турбулентннх пульсаций и распространения загрязнителя з волновом потоке от дна к поверхности. Для определения коайзициента диффузии б грунте разработаны методика, аппаратура и проведены экспериментальные исследования ¡< 'крупномасштабном 'волновом лотке. Специально исследуются разовые выбросы загрязнителя из грунта, вызываемыэ так называемым механизмом разжижения грунта.

Вопрос о величине коэффициента диффузии в волновом потоке подробно рассматривается многими авторами, занимавшимися проблемой взвешенных наносов в волновом потоке. Основное продполокение традиционной диффузионной теории взвешенных наносов состоит в равенстве коэффициентов диффузии частиц наносов и перемешивания кидкости. В рассматриваемой ситуации диффузии загрязнителя это ' предполсжепио не вызывает сомнения. При этом коэффициент диффузии принимается в виде суммы копффициента турбулэнтьой диЭДузии к

а

коэффициента диффузии вследствие орбитального волнового движения частиц жидкости. Так, Анциферовым и Косьяном получено выражение для коэффициента диффузии вследствие орбитального перемешивания и1дк0сти.

Зависимость коэффициентов диффузии от вертикальной координаты приводит к необходимости численного решения исходного уравнения диффузии. В диссертации используются аналитические решения, при этом толща потока делится на две области, в каждой из которых коэффициенты диффузии принимаются постоянными, равными средним по глубине области значениям.

Экспериментальные исследования процесса конвективно-волновой диффузии проводились на волновом канала длиной 69 м, шириной 1,64 м и глубиной 2,5 м. Канал оборудован щитовым волнопродуктором с электрогидравлическим приводом, который установлен в приямке глубиной 0,5 м.

■Для измерения концентрации растЕора соли в грунте электрическим способом использовались датчики-солемеры. Основная сложность проведения экспериментов по выщелачиванию солей из донных грунтов под действием волн связана с необходимость» синхронизации измерений' процессов диффузии на границе раздела вода-грунт и волновых колебаний ка поверхности вода. При этом может возникнуть необходимость проследить изменение интенсивности диффузии по фазе волны. С этой целью был использован трвдцатидвухканальный волнограф.

Измерения избыточного порового давления в толще грунта выполнялись с помощью виброизмеритольной аппаратуры ВК6-6ТН, в комплект которой входят датчики давления ДД-60, Аппаратура ВК8-6ТН

индуктивная, иестиканальная, имеет выход по току и по напряжению.

Генорациа регулярных волн с заданными характористиками и синхронные шюгоканалышо измерения аналоговых сигналов с солемеров, вол-гомеров и датчиков давления осуществлялись с помочи-ю измерительно-вычислительного комплекса (№К). ИВ К представляет собой систему технических и программных средств, организованных из базе ПЭВМ типа IBM РС-АТ.

Для эксперимента был выбран однородный крупнозернистый грунт. В качестве последнего использовалось зерно электрокору'.тдя нормального со сроднил диаметром зерен d..0--Ci,82 мм, коэффициентом неоднородности 1,55 и плотностью материала 3,9 т/м3. В начало какдого опыта предварительно промытый и высушенный грунт укладывался в специальную кассету и послойно уплотнялся. Кяссетя представляет собой прямоугольную емкость из оргстекла разборами в плане 1,2«1,й м к высотой стенок 0,15 м, оборудованную крыикой. По оси емкости в направлении, перпенднкулнрном направленны распространения . волн, установлены штативы для закрепления датчшхш-солэморов п датчиков давления. Солемеры разнесены к створе на 0,2 м друг от друга и от боковых стенок кассеты и на 0,03 м по высоте. Первый датчик располагался на грашцв раздала вода-грунт. Дртчик давления ДЦ-6С укладывался на дно кассеты в створе с солемерами. Посла заполнения кассеты и уплотнения грунта производилось его насыщение раствором поваренной соли минерализацией 3 г/л. Подготовленная таким образом кассета закрывалась крышкой и производилось наполнение волнового канала водой до заданной глубины. Наличие'крышки препятствовало диффузии раствора соли из грунта в воду в процессе наполнения канала.

После наполнения канала до заданной глубины крышка кассеты снималась, запускалась программа управления волнопродуктором и синхронных многоканальных измерений аналоговых сигналов с первичной аппаратуры. Подбор параметров волн и глубины вода осуществлялся таким образом, чтобы исключить размыв грунта в кассете за счет орбитальных волновых скоростей.

Расчета ' коэффициента конвективно-волновой диффузии по результатам кавдого опыта проводились на основе решения уравнения Фурье-Фика. Массив экспериментальных данных подвергался обработке методами математической статистики.По результатам опытов получена эмпирическая зависимость, аналогичная формуле Ю.Рапопорта:

■ й '„„ К«^Гь

- а^)---г-? -ехр<- - ) (7)

(1 ' I)

Наблюдения за колебаниями порового давлогая в грунте при прохождении волн позволили выявить интересный эффект. В целом изменение порового давления (по данным измерений сигналоз с датчика давления) повторяло профиль проходящей волны без заметного сдвига Фаз. Однако в опытах с' относительно крутой волной (Н/Ь =-0,05+0,10) на фона' волновых колебаний наблюдался рост среднего значения- за период, что свидельствует об увеличении избыточного порового давления в грунте. В этих опытах наблюдалось некоторое увеличение коэффициента диффузии, не соответствующее общим закономерностям. Очевидно, эти эффекты связаны с -'определенными изменениями 'напрлвенно-деформируемого состояния грунта в результата его взаимодействия с проходящей волной.

ОСНОВНЫЕ В1ГООДЫ

По результатам диссертационной работы можно сделать следующий основные выводы.

1.Математическая модель распространения волн и волновых точений, основанная ко численном решети плановых уравнений волногой гидродинамики для нерегулярных волн и изложенная в раздело 2.3, позволяет получить поля волн и течений в районе дампинга грунт.'). Модель может Оыть использоеэнп для участка дна со сложной топографией, математическое моделирование подокно для экстремальных и ■ средних штормов. В диссертации показано, что результата числе:шого расчета полей волновых течений дают возможность прогнозировать конвективный поренос загрязнений волнсвыш течениями в береговой зоне. Выполнены и представлены расчеты полой волновых течений п относительных концентраций примеси для условий существующего района демпинга грунта в вершине Рижского залива.

2.Уравнение . баланса нзмосов в попорочном к береговой лшгии направлении (3.2) вместе с йормулой Нобаяши (3.4) для поперечного транспорта наносов позволяет прогнозировать эволюцию отзала грунта на береговой склон, начиная с исходной отсыпки до формировать! профиля динамического равновесия пллжа. Коэффициенты 'формулы Кобаяши были получены в диссертации - формулы (3.13) и (3.36). Они зависят от характеристик грунта и параметров волн на подходе к береговому откосу. Предельная глубина переработки отвала

■ составляет 1,6 среднеквадратичной глубоководной высоты волн. Проведенные . эксперименты подтверждают возможность использования разработанной математической модели для практических расчетов.

¿.Профиль динамического равновесия пляжа с отвалом грунта может быть определен на основе разработанной в диссертации и описанной в разделе 3.2 полуэмпирической методики при заданных характеристиках грунта и параметрах подходящих к береговому откосу волн. Установлены границы применимости методики, определяемые числом Дина и исходным средним уклоном пляжа.

4.Аналитические решения уравнения диффузии - (4.7), (4.9), (4.11), полученные в предположении постоянства коэффициента диффузии в выделенных слоях внутри грунта и в волновом штоке, могут использоваться для определения изменения концентрации загрязнителя на границе между слоями, а также внутри слоя. В волновом потоке коэффициент диффузии представляет собой сушу двух компонентов: турбулентной диффузии и диффузии, вызываемой орбитальными скоростями волнового движения частиц жидкости.

5.Выход загрязнителя из грунта в воду определяется суммой коэффициентов молекулярной и конвективно-волновой диффузии и расчитывается на основе уточненной экспериментально эмпирической зависимости Майрановского-Гапопорга. Полученная наш уточненная зависимость - формула (4.22) получена в результате анализа опытов, выполненных в крупномасштабном волновом лотке. Кроме того, нами был расширен диапазон условий опытов, по сравнению" с опытами Рапопорта.

6.Разработанная с участием автора в лаборатории гидравлики, гидрологии и ледовых воздействий ВНИИ транспортного строительства методика и аппаратура лабороторшх исследований позволяет решать широкий круг гидравлических волновых задач. О ее' помощью удалось получить необходимые данные для определения коэффициента диффузии

йыгряоштеля £' пористом ДОННОМ ГрУНТУ. (¿"ГОДИК» Ь ОСНОВНОМ СШК'.НГ" б раздело 4.2.

7.При шполнонш прогнозов вторичного иагряапопия водной среди у,п рыкомендуэмой в диссертации методики следует иметь и виду, чг.> учет коэффициента коньэктшаю-ьолновиЛ диффузии имеет омнол только для машх глубин (ЗУЬ < 0,1. При более значительных глубинах процесс диффузии определяется только ко&^иаинтим молекул/фной ДИ'ЙУ31И-

8.При определенных волновых услониях можно ожилчто. пзиингпмн напряжешю-деформиру&мого состояний грунтов отвила, сипинного о его разжижением, что приведет ¡г м&ссоьиму выходу

веществ из парового раствора о приданию слои коды. Полу чеши«- ь диссертации зависимости дарового даышния в грунта от имдо*Т]* ь ветровых ьолн позволяют прогнозировать ук&ишкое яь-луни* .

9.Результаты диссертационной ру'юты могут бить леи' льаоьыш :>ри решении различных практических задач. Перечислим киибдом* вшгшк-из них:

прогноз загрязнений береговой зоны моря, {шкьиимиЛ дамшшгоп загрязненного грунта на дотаиЧ откос или отсылкой иекуести-липч-Пи одного пляжа;

определение рационального положении моста ¿амгшнгь грунта с учетом его влияния на орьмые плчкм и загрязнение района;

ПРОГНОЗ Ш;р«ф0рмИр0В£-ЛШЯ ПЛИЖНОЙ ОТСЫПКИ И ОПреДеЛеШЮ

рациональной геометрии и гранулометрического состава отешюеыоД бермы с точки зрения уменшеиял ра-ладиз;

прогноз влияния ветровых волн нн выход загрязнителей но грунтов в поток для условий крупицу водотоков.

Публикации по теме диссертации

1'рукшане Л.Я. Анализ факторов, влияющих' на выбор места свалки

грунта в Рижском заливо, Б сб.: 35 лот исследований в области гидротехники и экологии, ВНЖводполимер, Елгава, 1991, стр. 89-99,

1рукк1Ш1в Л.Я. К выбору места свалки грунта в районе устья Даугавы, тозисы докладов конференции Инженерные и экологические проблемы устьвой части Даугавы и предустьевого взморья, ГОСНИИВодполимер, Елгава, 1ЭЭ1 г.

- ■ /