автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Взаимодействие волн большой амплитуды с гидротехническими сооружениями в зонах влияния подводных каньонов

На правах рукописи

РАДИОНОВ АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОЛН БОЛЬШОЙ АМПЛИТУДЫ С ГИДРОТЕХНИЧЕСКИМИ СООРУЖЕНИЯМИ В ЗОНАХ ВЛИЯНИЯ ПОДВОДНЫХ КАНЬОНОВ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в филиале ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» «Научно-исследовательский центр «Морские берега».

Научный руководитель - доктор технических наук

Шахин Виктор Миронович.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Загрядская Наталья Николаевна;

Ведущая организация - ФГУП «Главное управление

берегоукрепительных и противооползневых работ» (г. Краснодар).

Защита состоится « Ык декабря 2005 г в часов на заседании Диссертационного Совета Д 512.001.01 при ОАО «ВНИИГ им. Б.Е Веденеева» по адресу: г. Санкт-Петербург, ул Гжатская 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИГ им Веденеева».

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Мищенко Сергей Максимович;

Автореферат разослан <_» ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канди дат технических наук, старший научный сотрудник

Иванова

лелег

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Побережья морей и океанов занимают особое место в формировании облика нашей планеты. И не только потому, что в их пределах наиболее интенсивно протекают разнообразные процессы взаимодействия четырех оболочек земли - литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы. Но еще и потому, что прибрежные территории на протяжении всей истории развита* цивилизации являлись местом проявления активной хозяйственной деятельности человека. По мере роста производительных сил акценты взаимодействия человека и береговой среды последовательно смещались от частных инженерных аспектов, связанных с зашитой берегов от размыва, портостроением и навигацией, к более общим задачам комплексного рационального природопользования, геоэкологии и попыткам прогноза развития морских берегов на основе анализа современного состояния в недавнего прошлого.

В настоящее время в широких масштабах ведется освоение морских побережий, гражданское, промышленное и курортное строительство. Без учета влияния всей совокупности гидро-дато дина м ических факторов в прибрежной зоне освоение побережья, как правило, сопровождается таким объемом сопутствующих отрицательных явлений, что материальные затраты на их устранение значительно превышают ожидаемый положительный эффект от реализации самих мероприятий. Особо пристальное внимание необходимо уделять каньонам в прибрежной зоне моря, так как установленные факты интенсивного влияния каньонов на побережье побуждают пересмотреть некоторые традиционные положения берегозащшы.

Анализ причин разрушения ряда объектов на морских побережьях, например, дамбы в Имеретинской бухте, оградительного мола санатория «Правда» (г. Сочи), ж. д. станции Полякове (о. Сахалин) показал, что одной из основных причин является неучет особенностей рельефа дна в прибрежной зоне. В частности, установлено, что напротив мест с наибольшими разрушениями, где наблюдалось максимальное волновое воздействие, располагались различные понижения дна (классические каньоны, небольшие ложбины).

Из нормативного метода расчета трансформации волн в мелководной зоне моря этот результат не следует. Наоборот, при оценке по нормативной методике в данной зоне должно было быть наименьшее волновое воздействие на сооружение. Однако, как показывают эксперименты и данные натурных наблюдений участки побережий, находящиеся напротив понижений дна, зачастую являются местом концентра "идам образ«!,

задача взаимодействия волн большой амплитуды с гидротехническими сооружениями при понижениях дна является актуальной Цель исследований.

Целью исследований является экспериментальное и теоретическое изучение воздействия волн большой амплитуды на берега и гидротехнические сооружения, расположенные напротив верховий каньонов, и разработка методов инженерной защиты рассматриваемых участков побережья.

Достижение данной цели потребовало решения таких задач, как:

- изучение закономерностей изменения фазовой скорости волн на флангах и по оси каньона,

- исследование волнового воздействия на гидротехнические сооружения при различных волновых условиях в случае наличия в прибрежной зоне таких неоднородностей дна как каньоны, небольшие ложбины, подходные каналы:

- сопоставление полученных экспериментальных результатов с численными расчетами;

-разработка и экспериментальная проверка эффективности гидротехнических сооружений, способных эффективно противостоять интенсивному волновому воздействию, наблюдаемому при определенных волновых условиях напротив верховьев понижений дна

-разработка мероприятий по борьбе с абразионными процессами, вызванными влиянием каньонов на транспорт наносов Методы исследований;

1. Физическое моделирование.

2. Математическое моделирование

3 Проведение натурных наблюдений и анализ существующих данных Новые научные результаты, полученные лично автором:

- установлен эффект фокусировки волновой энергии напротив понижений дна;

- определены значения безразмерных параметров, при которых происходит фокусировка энергии обрушающихся волн:

- показано, что в результате такой «фокусировки» формируется струя, которая с разрушительной силой воздействует на берега и сооружения:

- экспериментально и теоретически исследованы особенности трансформации волн над понижениями дна

- разработаны берегозащитные мероприятия для вышеуказанных участков побережья, включающие в себя подбор оптимальных биопозитивных сооружений, и выбор их планового положения;

- разработаны инженерные мероприятия, препятствующие низовым размывам в случае поглощения подводными каньонами наносов.

Фактический материал

Для анализа использованы данные натурных обследований после разрушительных штормов: ж. д. станции Поляково. о. Сахалин (1989 г); дамбы в Имеретинской бухте, г Сочи (1992 г); оградительного мола гавани для маломерных судов санатория «Правда» г. Сочи в 2003 г (проведены при личном участии автора), результаты экспериментальных исследований в волновом лотке и волновых бассейнах.

Практическая ценность работы.

На основании выполненных исследований доказана необходимость разработки специальных берегозащитных мероприятий в зонах влияния подводных каньонов и понижений дна. Без проведения таких мероприятий велик риск разрушения гидротехнических сооружений, построенных в зоне концентрации волновой энергии.

Выясненные особенности трансформации волн в прибрежной зоне над понижениями дна, позволяют получить достоверную оценку волнового воздействия на побережье и гидротехнические сооружения, расположенные напротив вышеуказанных неоднородностей дна. На основании выполненных исследований разработаны оптимальные методы инженерной защиты побережий.

Разработанные методы берегозащиты нашли свое практическое применение при проектировании нового оградительного мола гавани для маломерных судов в санатории «Правда» г. Сочи: берегозащитных сооружений морского терминала КТК (поселок Южная Озереевка).

Результаты работы могут быть использованы при уточнении нормативного метода расчета трансформации волн в прибрежной зоне моря.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на II Международной научно-практической конференции «Строительство в прибрежных курортных регионах» Сочи, 22-25 апреля 2003 г.: Научно-практической конференции «Проблемы комплексного управления прибрежными зонами» Туапсе, 19 мая 2004 г., XXI Международной береговой конференции «Прибрежная зона моря, морфодинамика и геоэкология» Калининград - Светлогорск, 7-10 сентября 2004 г , VI Конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны моей» Москва, 22-26 ноября 2004 г. V Конференции молодых ученых «Проблемы устойчивого развития регионов рекреационной специализации» Сочи, 20 декабря, 2004 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, анализа современного состояния вопроса (глава 1), описания экспериментальных исследований (глава 2), описания теоретических исследований (глава 3), разработки эффективных методов берегозащиты (глава 4), заключения и списка литературы Работа

содержит 206 страниц, 8 таблиц, 116 рисунков и список литературы из 128 наименования

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, ставятся цели и задачи исследования, обсуждены методы исследования.

В первой главе дан обзор современного состояния проблемы взаимодействия волн большой амплитуды с гидротехническими сооружениями при неоднородном рельефе дна Ранее теоретическими и экспериментальными исследованиями трансформации волн в мелководной зоне занимались Биркгофф Д. К, Жданов А М., Загрядская Н Н, Зенкович В П , Косьян Р Д, Кузнецов С.Ю., Лаппо Д Д, Леонтьев И.О, Макаров К.Н , Мищенко С М , Шахин В М, и др

Представлены теоретические и практические аспекты исследования подводных каньонов Анализ показал, что подводные каньоны оказывают определенное влияние на баланс пляжевых наносов. Многие каньоны, начинающиеся в прибрежной зоне, своим устьем пересекают пути движения наносов Это приводит к тому, что наносы, перемещающиеся вдоль берега ниже глубины расположения верховьев, поглощаются каньонами и тем самым безвозвратно утрачиваются для береговой зоны, что хорошо подтверждается результатами исследования фунтов в подводных каньонах. Состав и текстура осадков характеризуется присутствием прослоев песка, гальки растительных осадков и указывает на то, что осадочный материал в каньонах, в основном, представлен осадками береговой зоны. Сток обломочного материала в каньоны зависит в общем случае от их положения по отношению к источникам питания По этому признаку выделяют каньоны предустьевого, берегового (латерального) и смешанного питания

Проанализированы методы расчета трансформации волн При практической реализации нормативного метода в случае неоднородного рельефа дна возможно пересечение волновых лучей, вследствие чего становится невозможным получить корректную оценку волнового режима

В силу ограниченности и недостаточной эффективности расчетных методов, заложенных в нормативный документ, в последние годы интенсивно развиваются методы на основе численного решения задач расчета волнового режима на акватории, позволяющие моделировать волновые процессы в областях сложного вида Из теоретических методов для получения достоверных оценок волнового режима при неоднородном рельефе наиболее приемлемыми являются методы, предложенные Дж. К Биркгофом, И О. Леонтьевым. И. Свендсеном и В М. Шахиным.

Большое внимание уделено анализу данных натурных наблюдений, которые свидетельствуют о том, что существуют ситуации, когда

гидротехнические сооружения, расположенные напротив оси каньонов или понижений дна подверглись значительным разрушениям.

Детально проанализированы возможные причины разрушения гидротехнических сооружений расположенных напротив верховий различных понижений дна. При изучении причин, повлекших за собой разрушения гидротехнических сооружений не выявлено значительных нарушений, как при проектировании (согласно существующих нормативов), так и при строительстве сооружений По-видимому, при проектировании и строительстве не были учтены особенности влияния таких неоднородносгей дна как каньоны на трансформацию волн в прибрежной зоне, поскольку нормативный метод расчета параметров волн для таких условий, как будет показано ниже, может дать ошибочные результаты.

Также необходимо отметить, что в настоящее время не существует единых комплексных подходов по борьбе с абразией берегов, вызванной поглощением каньонами наносов в береговой зоне моря Если в случае приустьевых каньонов, в сущности, уже имеются достаточно эффективные методы борьбы с поглощением каньонами осадков береговой зоны в виде регулирования стока рек, то для латеральных каньонов такие методы находятся в стадии разработки.

Во второй главе представлены результаты проведенных лабораторных экспериментов взаимодействия волн большой амплитуды с гидротехническими сооружениями при наличии в прибрежной зоне различных понижений дна.

Дано подробное описание шестнадцати лабораторных экспериментов. Исследования проводились методом физического моделирования на плоской и пространственной моделях. Два эксперимента проводились для реальной гавани для маломерных судов и прилегающего дна санатория «Правда», г. Сочи.

Подробно описаны методика проведения эксперимента, установки и приборы, используемые при проведении экспериментов, показаны схемы расположения волнографов. Большое внимание уделено батиметрии дна на физических моделях. Приведены схемы и подробно описаны исследуемые гидротехнические сооружения.

На плоской модели исследования проводились в волновом лотке, оснащенном щвпговым волнолродуктором с электромеханическим приводом, установленном в приямке у одной из торцевых стенок Основные размеры волнового лотка: длина 20 м; ширина 0,6 м; высота стенок 0,8 м.

На пространственной модели исследования проводились в глубоководном волновом бассейне, имеющем в плане форму трапеции с основаниями 41 м и 25 м и расстоянием между ними - 31,5 м. Высота стенок бассейна - 1,7 м Бассейн оснащен передвижными волнопродукторами,

которые представляют собой группу однотипных установок, обеспечивающих возвратно-поступательные движение щитов. Экспериментальные исследования в волновом лотке

Согласно нормативного метода расчета параметров волнения при прохождении фронта волн над каньонами, последние оказывают влияние на ход рефракции волн. В результате чего фронт волн изгибается, следуя в смягченном виде контуру изобат, очерчивающих рельеф дна Ортогонали волн расходятся в вершине каньона, в связи с этим высота волн в вершине каньона уменьшается. Однако данные натурных наблюдений за трансформацией волн над различными понижениями дна, начинающимися в прибрежной зоне моря, свидетельствуют, что при определенных волновых условиях волны на флангах понижений при обрушении опережают соответствующие волны по оси этих понижений, и после обрушения последних, «схлопываются» у берега, в результате чего, формируется направленная струя, которая может обладать значительной энергией

Серия экспериментов на плоской физической модели (в волновом лотке) проводилась для исследования фазовой скорости волн в верховьях каньонов, при тех параметрах волнения, когда волны на флангах каньона при трансформации опережали соответствующие волны по оси каньона

В опытах лоток был разделен по длине на две половины прозрачной перегородкой из стекла, разделяющей два фрагмента подводного склона с отмелым (профиль №1) и относительно приглубым профилем (профиль №2) дна (рис 1). Условно, можно принять, что профиль №2 представляет собой сечение, проведенное по оси каньона, а профиль №1 является сечением территории, находящейся на фланге каньона Волны генерировались щитовым волнопродуктором, начало движения волн на обоих профилях осуществлялось в единый момент времени.

Выполненные исследования позволили определить положение соответствующих волн относительно друг друга на различных профилях, а также проанализировать характер изменения фазовой скорости волны вдоль всего профиля берегового склона, включая зону обрушения

ЧяФиьмг

Рис. 1. Профили подвод ного берегового склона

.Прибрежную зону моря условно можно разделить на два участка. Первый -это участок акватории расположенный до зоны обрушения, второй - зона обрушения волн. Анализ результатов измерений распределения фазовой скорости (С) волн вдоль берегового склона показал следующее (рис.2). Фазовая скорость волн на первом участке до зоны обрушения удовлетворительно согласуется со скоростью, определенной нормативным методом. На втором участке (в зоне обрушения) фазовая скорость начинает увеличиваться и достигает своего максимума перед зоной наката. Причем скорость волн в зоне обрушения может в 1,5 раза превышать скорость, ■ определяемую нормативным методом. После достижения своего максимума

перед зоной наката фазовая скорость уменьшается до нуля в вершине заплеска Темп убывания скорости зависит от крутизны профиля.

На основании данных, полученных в результате проведения экспериментов, можно выделить три основных сценария развития трансформации волн на данной модели в волновом лотке.

1 При достаточно малой высоте волны, обрушение происходит непосредственно перед береговым откосом. Фазовая скорость волн, на обоих профилях, хорошо согласуется с фазовой скоростью, определяемой нормативным методом, волны на глубоководном профиле (профиль №2) опережают соответствующие волны на мелководном (профиль №1) (рис. За).

2. При увеличении высот волн, обрушение на обоих профилях происходило примерно на одинаковом расстоянии от берега В этом случае, к зоне обрушения, волны на профиле №1 подходили с изначальным отставанием от соответствующих волн на профиле №2, которое увеличивалось и после обрушения, так как волны, на приглубом профиле, перед обрушением, имели большую высоту.

3 При определенных волновых параметрах (в данном случае

0,0068 5$—^ <5,0126), волны на мелководном профиле (профиль №1) БТ

начинали обрушаться раньше, чем на глубоководном (профиль №2), в > результате обрушения фазовая скорость волн на профиле №1 возрастала, в то

же время, движение волн на профиле №2 (до своей зоны обрушения) соответствовало скорости, определяемой нормативным методом. В ' результате чего, волны на профиле №1, сократив отставание, опережали

соответствующие волны на профиле №2 (рис. 36), так как при обрушении, скорость волн значительно увеличивается и может в полтора раза превосходить скорость, определяемую нормативным методом

Зот

— - 'Значение фазовой скорости волны, определенной нормативным методом; « - значение фдзивлй скорости влиньг п«л>'ченнлй экспериментальным путем, - профиль двл

Рис 2 Зависимость фазовой скорости волн от глубины и трансформации: а) при параметрах волн - период Т = 1,1 - 1,4 с и высота Ь = 13 - 15 см; б) при достаточно малой высоте волн

Именно третий случай, соответствовал наблюдаемому в натурных условиях эффекту, когда в верховьях каньонов происходила концентрация волновой энергии

Экспериментальные исследования на пространственной модели

Лабораторные исследования на пространственной модели в волновом бассейне, были посвящены исследованию взаимодействия волнения с гидротехническими сооружениями при наличии в прибрежной зоне понижений дна. Воздействие волн на гидротехнические сооружения при неоднородном рельефе дна определялось путем сравнительной оценки волнового воздействия на сооружения на одной и той же модели побережья без каньона и с каньоном.

В качестве пиротехнического сооружения использовалось откосное крепление из гексабитов массой 190 г обладающее хорошими волногасящими свойствами, заложение откоса сооружения Г 1,5. Если принять, что в лабораторных условиях используемый масштаб равен 130, то масса гексабитов в пересчете на натурные условия соответствовала 5,1 т

Физическое моделирование проводилось исходя из равенства на модели и в натурных условиях числа Фруда.

В результате проведения экспериментов без каньона установлено, что исследуемое сооружение устойчиво к исходному волнению, работает «мягко», формирования значительных всплесков и отражения волн замечено не было Обследование гидротехнического сооружения по окончания , эксперимента (после 6 часов обработки волнением) не выявило признаков его

деформаций и разрушения, практически оно осталось без изменения.

При проведении дальнейших исследований на этой модели, после ^ устройства каньона, наблюдения за трансформацией волн показали, что при

прохождении фронта волн над каньоном волны по оси каньона опережали соответствующие волны «вне каньона», однако при обрушении волны на флангах каньона догоняли и опережали соответствующие волны по оси каньона, а после обрушения последних наблюдался эффект фокусировки волновой энергии. Взаимодействие этой направленной струи с сооружением в конечном итоге привело к разрушению сооружения на участке, расположенном напротив каньона (рис 3).

Результаты проведенных исследований волнового воздействия, оказываемого на гидротехнические сооружения при наличии каньонов в прибрежной зоне, позволяют сделать вывод, что разрушения гидротехнических сооружений, расположенных напротив каньонов, наблюдаются в случае приглубого берега (с уклонами 1 = 0,03 и более) и при определенных волновых параметрах (0 л,,,. .-- ь <0 012б ). Характер

разрушений (рис 3) свидетельствующий о направленности и концентрации волновой энергии в верховье каньона, и сравнительный анализ волнового воздействия на сооружение с каньоном и без него доказывают, что именно влияние каньона на трансформацию волн послужило причиной разрушения гидротехнического сооружения.

Рис 3. Разрушение участка сооружения напротив каньона по окончании

эксперимента

Исследование на физической модели реального участка черноморского побережья взаимодействия волн большой амплитуды с гидротехническим сооружением.

Для сопоставления результатов лабораторных исследований с натурой на физической модели была проведена серия экспериментов, посвященная определению причин разрушения оградительного мола гавани для маломерных судов санатория «Правда», г. Сочи.

Рассматриваемый непроницаемый оградительный мол должен был быть построен таким образом, чтобы одним концом примыкая к одной из бун, не перекрывая весь межбунный отсек, обеспечить приемлемые условия для стоянки маломерных прогулочных судов. Однако все попытки строительства данного сооружения потерпели неудачу При анализе возможных причин разрушения сооружения было установлено, что оградительный мол расположен в зоне вершины понижения дна, где происходит концентрация энергии штормовых волн.

Всего было проведено два эксперимента' при тех волновых условиях, при которых сооружение было разрушено в натуре, и расчетных для сооружения III класса капитальности.

В процессе проведения экспериментов было установлено, что оградительный мол не в состоянии противостоять практически рядовым штормам. В связи с тем, что исследуемое оградительное сооружение было разрушено при более щадящих волновых условиях, нежели расчетных, в эксперименте, проводимом при расчетных волновых условиях (при высоте волн 5 % обеспеченности для шторма возможного 1 раз в 25 лет), конструкция сооружения была несколько изменена. В качестве оградительного мола было использовано цельное монолитное бетонное сооружение, вес одного погонного метра которого в пересчете на натурные условия составлял в = 520 кН.

Изменение конструкции сооружения также положительного результата не дало. В процессе экспериментов, наблюдения за трансформацией волн перед сооружением показали, что при прохождении фронта волн над ложбиной, волны на флангах ложбины опережали соответствующие волны по оси ложбины, после чего при обрушении волн по оси ложбины происходила фокусировка волн, сформировавшаяся в результате направленная «струя», обрушалась как раз на исследуемое оградительное сооружение Вследствие чего сооружение было смещено от своей первоначальной оси

На основании проведенных исследований волнового воздействия, оказываемого на оградительное сооружение можно заключить, что основной причиной разрушения мола является влияние ложбины на трансформацию волн, в результате чего происходила фокусировка волн, формирующая струю, направленную на сооружение

Полностью подтвердились предположения, основанные на предыдущих исследованиях, что наличие понижений дна в прибрежной зоне при определенных волновых параметрах приводит к концентрации волновой энергии в верховьях этих понижений.

Исходя из результатов экспериментов и натурных наблюдений, можно заключить, что при определенных волновых условиях на участках побережья, расположенных напротив каньонов, наблюдается в результате фокусировки волн концентрация волновой энергии, что ведет к значительно более интенсивному волновому воздействию на побережье и сооружения, нежели ) оно рассчитывалось по нормативной методике, в результате чего сооружения

разрушаются

Очевидно, что при наличии таких неоднородностей дна как каньоны и при их активном влиянии на трансформацию волн в прибрежной зоне невозможно получить достоверную оценку волнового режима по методике, заложенной в нормативные документы Следовательно, расчет параметров волнения, рекомендованный нормативной методикой, в этой области, должен быть уточнен.

В третьей главе представлены результаты теоретических исследований, трансформации волн при неоднородном рельефе дна, выполненные на основе математической модели В. М. Шахина, и сравнительный анализ результатов лабораторных исследований с расчетными данными по названной модели.

Основные уравнения, используемые в математической модели

Уравнения сохранения массы и количества движения, описывающее трансформацию волн в мелководной акватории с неоднородным рельефом дна с учетом нелинейных и дисперсионных эффектов, в безразмерных переменных, имеют вид:

ш ш ш а) [7 <Зо —+и— +у— +— + —т,—=-—

Л дк % да ^^а+п

¿^и е\ 1 а с?и Л ш Л а й ^ ш^у

_—+_— +_<} 2— —н—- —-I--+--н--,

ййг 2 да Эйс Ос & аде д/ (Щ а дкдд/

(1)

• <?

2—

1 ей с?и && ги ш ЗУ ей

-н-- +-й— —+- —+2— —+— —-1— —

ащ дд? 2 & а^ а аз? ду ду1 а ^ а^

(2)

• <?

—+2— —

(з)

где 1 - время: х,у - плановые координаты; XV, и, V - вектор осредненной по глубине скорости и его компоненты по осям х, у; (1 - глубина; т| - отклонение свободной поверхности от невозмущенного уровня; с!0-харакгерная глубина; Т0 - характерный период волны; g - ускорение

свободного падения; ^с!0Т0 - характерная длина волны; ^ -коэффициент

гидравлического сопротивления.

Поскольку нелинейно-дисперсионная модель (1)-(3) не описывает обрушение волн, для расчетов в прибойной зоне требуется модификация модели. В связи с тем, что при уменьшении глубины относительная длина гребней волн большой амплитуды уменьшается, можно предположить, что при приближении к прибойной зоне существенную роль может играть дисперсионный член второго порядка. Приближенно влияние этого члена можно учесть, введя в правую часть уравнений (1), (2) сомножитель (1 0,2к]), где к1 - параметр, который равен нулю при прохождении впадины волны и единице при прохождении гребня, если высота волны Ь в расчетной точке больше 0,6<1. Таким образом, при подходе волн к прибойной зоне роль дисперсионного члена снижается.

При достижении критической высоты происходит обрушение волн В результате обрушения часть объема воды сбрасывается на передний склон гребней волн, что приводит к увеличению количества движения в створе обрушения. В первом приближении этот эффект можно учесть следующим образом Рассмотрим элементарный объем Аго = (с1+г|)АхАу Выкладки проводим в безразмерных переменных. Предположим, что относительная скорость обрушающейся струи равна V/ = |\¥| и

что за расчетный промежуток времени Д1 струя распространяется на глубину Ас! = ,|~-Т0к2(т/с1+т| |\¥|)Д1 (к2- эмпирический коэффициент) С V "о

учетом этих предположений, при обрушении дополнительное количество движения Д1 в элементарном объеме Да может быть найдено по зависимости:

Д1 = (ДхДуД<1)\у .

В математической модели эффект обрушения учитывается путем введения в правые части уравнений (1)-(2) дополнительных членов'

ГГТ ^(Д+л м)*и к0 ' (4)

Гт М)Ру

К 0 дД+пМ

При расчетах принято: к2 = О, если ц < 0,4d, к2 =0,25, если ц $0,4(1.

Коэффициент гидравлического сопротивления Г№ определяется по зависимости Маннинга.

Для решения системы уравнений (1)-(3) необходимо задать начальные и граничные условия Если расчетная область имеет вид прямоугольника с непроницаемыми боковыми стенками и береговой границей, то эти условия можно задать в виде .

и(х,у)=У(х,у)=0, Т1(х,у)=0

при 1 = 0;

и = 0, ЭУ/Зх = 0 при х = О,

(6)

х = М:

и = 0, л = Г (г, х) при у = о,

и = 0, У = 0 при у = N.

Здесь М - граница расчетной области, N - береговая граница, ^ х) -заданная функция.

Входной створ удаляется от сооружений на такое расстояние, что за расчетное время отраженные волны не доходят до него. Если внутри расчетной области есть непроницаемые сооружения, то на их границах задаются условия непротекания.

На основе приведенных уравнений в одномерной и двухмерной постановках автором были выполнены теоретические исследования трансформации волн в прибрежной зоне моря с учетом понижений дна, а также были проведены соответствующие расчеты

Основные результаты расчетов трансформации волн при неоднородном рельефе дна

Расчеты выполнялись численно методом конечных разностей по двухслойной явно-неявной схеме с итерациями по нелинейности При расчетах шаг по времени М и шаги по пространственным координатам, Лу

задавались из условий обеспечения устойчивости и гидродинамической аппроксимации схемы:

Л1 < о; Дх<л/а: Ду < л/а ,

где о = с10 /3£Г02

В одномерной постановке бьшо вьшолнено четьфе расчета-(5) С волнами относительно большой амплитуды при пологом

профиле дна.

2. С волнами относительно большой амплитуды при приглубом профиле дна.

3. С волнами относительно малой амплитуды при пологом профиле дна.

4. С волнами относительно малой амплитуды при приглубом профиле дна.

Профили рельефа дна, используемые в расчетах, полностью соответствовали тем подводным профилям, которые были использованы на физической модели, расчеты выполнялись с теми же основными волновыми параметрами, которые были использованы при физическом моделировании. При волнах относительно большой амплитуды: высота Ь = 15 см, период Т = 1,4 с . При волнах относительно малой амплитуды: высота Ь = 5,0 см, период Т = 1,4 с

Результаты расчетов трансформации волн при относительно большой амплитуде волн показали, что волны над пологим профилем дна опережают волны над приглубым профилем, чего с точки зрения линейной теории быть не должно.

Результаты расчетов трансформации волн при относительно малой амплитуде волн оказали волны над приглубым профилем дна опережают соответствующие волны над пологим профилем, что согласуется с линейной теорией.

В двухмерной постановке был выполнен расчет трансформации волн при неоднородном рельефе дна полностью соответствующим рельефу дна физической модели с подводным каньоном в волновом бассейне. Расчеты выполнялись с теми же основными волновыми параметрами, которые были использованы при физическом моделировании: высота волн Ь = 17 см при периоде Т = 1,8 с.

Результаты расчета трансформации волн при неоднородном рельефе дна на пространственной модели представлены на рисунке 4 Виден, эффект фокусировки волновой энергии в верховье каньона.

Рис 4 Трансформация волн в «математическом» бассейне при неоднородном рельефе дна

Анализ экспериментальных данных и результатов расчетов

Математическая модель описывает характер изменения скорости, как до зоны обрушения волн, так и при обрушении. В результате расчета в одномерной постановке получили, что скорости волн при трансформации, независимо от рельефа дна, совпадают с данными, полученными экспериментальным путем.

В двухмерной постановке данная математическая. модель позволяет рассчитать рефракцию и дифракцию волн при неоднородном рельефе дна с учетом нелинейных, дисперсионных и диссипативных эффектов. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показывает практически полную идентичность волновых процессов на гидравлической и математической моделях.

Качественное и количественное совпадение теоретических и экспериментальных результатов, свидетельствует о подтверждении эффекта фокусировки волн напротив каньонов при определенных параметрах. Указанное обстоятельство в совокупности с данными натурных наблюдений также свидетельствует о достаточно высокой эффективности метода расчета трансформации волн, используемого при определении волнового воздействия на сооружения, так и о достоверности проведенных экспериментов Четвертая глава посвящена разработке методов инженерной защиты от волнового воздействия, вызванного влиянием понижений дна на трансформацию волн Также в этой главе рассмотрены способы защиты егг абразионных процессов, обусловленных влиянием каньонов на транспорт наносов, с помощью проницаемых гидротехнических сооружений Большое внимание уделено вопросам о плановом расположении используемых сооружений и их конструктивным характеристикам Исследования

проводились методом физического моделирования на тех же моделях и с теми основными волновыми параметрами, при которых был зафиксирован эффект фокусировки волн, возникший вследствие влияния рассматриваемых понижений дна на трансформацию волн, в результате чего гидротехнические сооружения на участках, находящихся напротив верховий этих понижений дна, были разрушены.

Всего было проведено 13 опытов. Исследовалась защита побережья от воздействия направленной «струи» с помощью проницаемых сооружений, находящихся на пути распространения «струи» Рассматривался вариант берегозащиты с помощью двух проницаемых сооружений, расположенных на (

большой глубине на флангах понижений, таким образом, чтобы погасить энергию волн до их «схлопывания» Было уделено внимание мероприятиям, связанным с устройством проницаемых волноломов непосредственно в верховьях каньонов. Основываясь на результатах проведенных исследований, были разработаны рекомендации и проверены на гидравлической модели по устройству оградительного мола гавани для маломерных судов в санатории «Правда», г. Сочи. Рассмотрены варианты берегозащиты побережья с помощью локального «усиления» и поднятия отметок гидротехнических сооружений Исследовалась эффективность защиты побережья от низовых размывов, вызванных влиянием каньонов на литодинамические процессы в прибрежной зоне

Разработка методов инженерной защиты побережья и сооружений при наличии в берегоьой зоне различных понижений дна

Исходя из результатов лабораторных экспериментов и данных натурных наблюдений можно заключить, что конструкция сооружений, воспринимающих на себя основное волновое воздействие «струи», образуемой в случае наличия в береговой зоне понижений дна, способных за счет влияния на трансформацию волн создавать эффект фокусировки волновой энергии, должна быть проницаемой. Наиболее оптимальными сооружениями для этих целей являются каменно-набросные волноломы, из которых выделяется конструкция волнолома, разработанная филиалом ОАО ЦНИИС «НИЦ «Морские берега» совместно с « Н о в о мор н и ипр ос ктом » »

Конструкция такого волнолома состоит из жесткого каркаса (металлического или из композитных материалов), заполненного естественным камнем или искусственными блоками *

Исследование проницаемых волноломов, возведенных в прибрежной зоне напротив верховьев понижений дна, на пути распространения «струи», образуемой в результате фокусировки штормовых волн, показало, что данные

сооружения обладают высокой устойчивостью и эффективностью (рис. 5), что в итоге позволило сохранить в неприкосновенности крайне неблагоприятные с точки зрения волнового воздействия участки побережья, разрушенные при проведении предыдущих исследований. Обследование волноломов и откоса из гексабигов по окончании проведения экспериментов каких-либо деформаций и разрушения сооружений не выявило (рис. 6.)

шШЩуЩЖ

ш тж щшш^ ЩЩЩЙЩк

ив ЩШшШ

'ШША Шшшшш

Рис 5 Взаимодействие «струи», образуемой вследствие фокусировки волновой энергии, с проницаемым волноломом

Рис. 6 Общий вид проницаемого волнолома и находящегося под его защитой откоса из гексабитов по окончании экспериментов

Параметры конструкций проницаемых сооружений (размеры сооружения; его плановое положение, крупность естественного или искусственного каменного материала) желательно определять на основе гидравлического либо математического моделирования, это позволит подобрать оптимальное гидротехническое сооружение для конкретных волновых условий и рельефа дна, что в конечном итоге выразится в эффективном использовании материальных затрат на строительство сооружений.

В случае подхода к эксплуатируемому побережью относительно неглубоких верховьев каньонов, ложбин имеет смысл проницаемый волнолом устраивать в верховье, рассматриваемых понижений дна. Берегозащига

такого рода позволяет практически полностью нивелировать эффект фокусировки волн.

В случае невозможности устройства, по каким либо причинам проницаемых волноломов на пути распространения «струи», берегозащиту в этом случае следует осуществлять:

- с помощью волноломов, возводимых на флангах «каньонов», которые своей конструкцией погасят энергию волн на подходе к береговой линии, что позволит уменьшить силу воздействия «струи» на побережье (рис 7), однако следует отметить, что полностью исключить эффект фокусировки волновой энергии в этом случае не удастся;

- с помощью локального «усиления» конструкции и поднятия отметок берегозащитных сооружений на неблагоприятном участке (рис 7), размеры участка и параметры конструкции сооружений должны определяться на основе гидравлического или математического моделирования

а)

Рис 7. Взаимодействие исходного волнения с гидротехническим сооружением дополнительно защищенным, а) проницаемыми волноломами, возведенными на флангах «каньона», б) с помощью локального усиления и поднятия отметок берегозащитного сооружения.

Основываясь на результатах исследования берегозащиты различных объектов при неоднородном рельефе дна, была разработана оптимальная конструкция оградительного мола гавани для маломерных судов санатория «Правда» в Сочи, способная обеспечить приемлемые условия для эксплуатации гавани и эффективно противостоять столь специфичному волновому воздействию, образуемому при определенных волновых

условиях в верховьях различных понижений дна. Конструкция оградительного сооружения представляла собой наброску естественного камня, отсыпанную в жесткий каркас, который полностью погружен в воду, выше была выполнена отсыпка из фигурных бетонных блоков (гексабитов).

Физическое моделирование показало, что данное проницаемое оградительное сооружение в отличие от предыдущих своих аналогов, устойчиво к расчетному волнению (при высоте волн 5 % обеспеченности для пггорма возможного 1 раз в 25 лет), работало «мягко», формирования значительных всплесков и отражения волн не было (рис. 8) Обследование оградительного мола по окончании экспериментов деформаций или разрушений сооружения не выявило (рис. 9)

Рис 8. Взаимодействие исходного волнения с сооружением

Рис. 9. Общий вид сооружения по окончании волнового воздействия

Экспериментальные исследования защиты побережья от абразионных процессов, вызванных влиянием каньонов на баланс наносов

В настоящее время не существует комплексных подходов по борьбе с абразией берегов, вызванной поглощением каньонами наносов в береговой зоне моря. Основными приемами берегозащшы для уменьшения потерь осадков береговой зоны в латеральных каньонах, до сих пор считается удаление верховьев каньона от основной трассы движения наносов. Это достигается либо искусственным сдвигом верховьев каньона на большую глубину (заполнение верховьев каньона подходящим материалом), либо искусственным удалением береговой линии от верховьев каньона посредством срезки осадочного чехла верхней части береговой зоны и его удаления на участок дефицита наносов. Также одним из известных способов защиты берегов от низового размыва, вызванного влиянием каньона на

транспорт наносов, является способ искусственного восстановления транзита пляжеобразующего материала по его основному направлению (байпассинг).

Однако следует отметить, что защита морских берегов вышеуказанными способами практически трудноосуществима. Исходя из результатов предыдущих исследований, посвященных защите побережья от волнового воздействия, расположенного напротив понижений дна, можно сделать вывод о том, что проницаемые волноломы, используемые в целях гашения энергии волн, хорошо подходят по своим функциональным качествам и для роли своеобразных плотин на пути движения осадков вниз по «руслу» каньонов.

Экспериментальные исследования, посвященные защите побережья от абразионных процессов, вызванных поглощением каньонами наносов в береговой зоне, показали, что устройство проницаемых сооружений, препятствующих стоку береговых осадков в каньоны, позволит основному потоку наносов, практически без потерь, естественным путем пройти мимо каньона, это позволит избежать низовых размывов на нижележащих участках. Во избежание суффозионных эффектов, в этом случае, необходимо в местах соприкосновения наносов и граней проницаемых сооружений устраивать обратный фильтр.

Финансовые издержки необходимые для строительства и последующего эксплуатирования проницаемых сооружений, препятствующих поглощению каньонами наносов, в несколько раз ниже, нежели осуществление в рассматриваемом случае берегозащитных мероприятий вышеуказанными способами.

Заключение

В результате проведенных теоретических, экспериментальных и натурных наблюдений получены следующие результаты и выводы:

1. На основе анализа возможных причин разрушений ряда объектов на морских побережьях с крайне неоднородным рельефом дна (наличие в прибрежной зоне классических подводных каньонов, небольших ложбин, имеющих V-образный или близкий к нему поперечный профиль), установлено, что напротив участков побережья, подверженным наибольшим разрушениям, где наблюдались максимальные волновые воздействия, находились верховья подводных «каньонов» Характер разрушений и данные натурных наблюдений позволяют сделать вывод, что участки, расположенные напротив верховьев каньонов, являются местом концентрации энергии штормовых волн. Данные натурных наблюдений за трансформацией волн, во время штормов, повлекших за собой разрушения гидротехнических сооружений, свидетельствуют о том, что при определенных условиях фронт волн на флангах каньона

может опережать соответствующие волны по оси каньона и после обрушения последних, происходит фокусировка волновой энергии

2 Анализ фазовой скорости волн вдоль профиля берегового склона показал следующее Фазовая скорость волн до зоны обрушения удовлетворительно согласуется со скоростью, определенной нормативным методом В зоне обрушения, скорость начинает увеличиваться и достигает своего максимума перед зоной наката, причем фазовая скорость волн в зоне обрушения при определенном рельефе дна может в полтора раза быть выше, чем та, которая определяется нормативным методом.

На основании данных, полученных в результате проведения лабораторных исследований, можно заключить, что при определенных волновых параметрах в результате обрушения скорость волн на флангах каньона возрастает, вследствие чего они опережают волны по оси каньона, а после обрушения последних происходит фокусировка волновой энергии.

3 Установленный эффект фокусировки волновой энергии наблюдается при наличии понижений дна (классических каньонов, небольших ложбин) в прибрежной зоне в случае приглубого берега (с уклонами 1

> 0,03) и при определенных волновых параметрах (ооо41^—<ззо12б)-

ВТ2 '

Сравнительный анализ волнового воздействия на сооружение с каньоном и без него, и характер разрушений, свидетельствующий о направленности и концентрации волновой энергии в верховье каньона доказывает, что именно фокусировка волновой энергии, обусловленная влиянием понижений дна на трансформацию волн, является основной причиной разрушения ряда гидротехнических сооружений

4 Проведены теоретические исследования трансформации волн при неоднородном рельефе дна на базе математической модели В.М. Шахина. Получено качественное и количественное соответствие расчетных и опытных данных. Использование рассматриваемого метода расчета трансформации волн как базового для определения волнового воздействия при проектировании гидротехнических сооружений со сложным, неоднородным рельефом дна, позволит получать достоверную волновую картину на исследуемом участке.

5 Лабораторные исследования абразионных процессов на нижележащих от латеральных каньонов участках показали, что влияние каньонов на транспорт пляжеобразующего материала не ограничивается дефицитом наносов, возникающим вследствие стока части осадков за пределы береговой зоны. Влияние каньонов проявляется гораздо разнообразнее. Установлено, что при определенных условиях даже не пересекая своим

руслом путей движения наносов, влияние каньонов на литодинамические процессы береговой зоны, обусловленное влиянием на трансформацию волн, приводит к низовым размывам на нижележащих от каньонов участках.

6 Разработаны и всесторонне экспериментально изучены берегозащитные гидротехнические сооружения, способные эффективно защищать берег от размыва, в случае воздействия на побережье направленной струи, образуемой в результате эффекта фокусировки волновой энергии Установлено, что высокой эффективностью в рассматриваемом случае обладают проницаемые сооружения Сравнительный анализ различных 4

конструкций проницаемых сооружений выявил, что наиболее эффективным сооружением как с точки зрения волногашения так и с точки зрения материальных затрат является сооружение, разработанное филиалом ОАО ЦНИИС «НИЦ «Морские берега» совместно с «Новоморниипроектом». Конструкция такого сооружения состоит из жесткого каркаса (металлического или из композитных материалов), заполненного естественным камнем или искусственными блоками

7. Проанализирован вопрос об использовании проницаемых сооружений в виде своеобразных плотин, препятствующих стоку береговых осадков в верховья каньонов. Устройство таких плотин на участках с ярко выраженным дефицитом наносов, вызванным поглощением пляжеобразующего материала каньонами вдольберегового питания, позволит защитить нижележащие от каньонов участки от низового размыва.

8 Разработан метод борьбы с абразионными процессами, при отрицательном влиянии каньонов на литодинамические процессы береговой зоны, в случае отсутствия потерь наносов в каньонах. В этом случае влияние каньонов на транспорт наносов обусловлено влиянием на трансформацию волн, вследствие чего на характерных участках (в зависимости от рельефа каньонов и прилегающего дна) наблюдается наиболее интенсивное волновое воздействие, приводящее к размыву нижележащей от каньона территории. Суть метода заключается в следующем На флангах каньона устраиваются проницаемые волноломы, которые ослабляют волновое воздействие на критических участках, благодаря чему устраняются непропуски наносов, и как следствие побережье перестает эродировать. Также, выявлено, что проницаемые волноломы не только снижают вдольбереговой расход пляжеобразующего материала, но и «подтягивают» наносы с подводного берегового склона, способствуя тем самым образованию надводной пляжевой полосы даже при дефиците наносов

9 Результаты работы внедряются в современную практику берегового строительства. В настоящий момент, с учетом результатов исследований запроектирован новый оградительный мол гавани для маломерных судов в санатории «Правда», г. Сочи, даны рекомендации по «усилению» конструкции берегозащитных сооружений территории морского терминала КТК, поселок Южная Озереевка. В дальнейшем на базе проведенных исследований могут быть внесены предложения для уточнения соответствующего раздела СНиП 2 06.04-82*.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1 Радионов А.Е. Влияние понижений дна на концентрацию энергии волн в прибрежной зоне моря // Вторая международная научно-практическая конференция «Строительство в прибрежных курортных регионах»- Тез докл. - Сочи.: Изд. СГУТиКД, 2003 - С. 60-61.

2 Радионов А.Е. Анализ распределения скорости волн в прибрежной зоне моря // Юбилейный сборник, посвященный 280-лепио образования РАН и 15-летию образования СНИЦ РАН «Проблемы устойчивого развития регионов юга России». - Сочи, 2004. - С. 123-125.

3 Радионов А.Е. Влияние подводного каньона на транспорт наносов при пологом рельефе дна // Транспортные сооружения. Расчеты, испытания, строительство. Научные труды ОАО ЦНИИС. Выпуск №220 - Москва, 2004 - С. 111-116.

4. Радионов А.Е. Зависимость трансформации волн от подводного рельефа дна в мелководной зоне // Труды VT конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» Институт водных проблем РАН. - М.: 2004. - С. 254-257.

5. Радионов А Е. Влияние каньонов на бюджет наносов на Черноморском побережье // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы комплексного управления прибрежными зонами» - Туапсе: Филиал РГГМУ в г. Туапсе, 2004. - С. 104-106.

6 Радионов А Е Влияние подводных каньонов на формирование берега // Материалы V конференции молодых ученых «Проблемы устойчивого развития регионов рекреационной специализации». - Сочи, 2004 - С. 4851.

7 Радионов А.Е Защита прибрежной территории от волнового воздействия при неоднородном рельефе дна // Молодые ученые в транспортной науке. Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 228 Юбилейный - М ОАО ЦНИИС, 2005.-С. 111-117

л

j

у

Типофафия ООО "Дом Шуан" 195220, Санкт-Петербург Гжатская ул. 21. Подписано к печати 24.11.2005. Усл. печ.л. %и Тираж 100 Заказ N8 54

Р г 4 7 8 о

РНБ Русский фонд

2006-4 26265

«

i

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ современного состояния вопроса. Изучение основных достижений и тенденций в исследовании взаимодействия волн большой амплитуды с гидротехническими сооружениями при неоднородном рельефе дна.

1.1 Анализ современного состояния вопроса.

1.2 Анализ существующих методов расчета трансформации волн на мелководье.

1.2.1 Нормативные методы расчета.

1.2.2 Существующие аналитические методы расчета трансформации волн.

1.3 Анализ натурных данных.

1.4 Постановка задачи.

Глава 2. Экспериментальные исследования взаимодействия волн большой амплитуды с гидротехническими сооружениями при неоднородном рельефе дна.

2.1 Методика экспериментальных исследований.

2.2 Экспериментальные установки и приборы.

2.3 Экспериментальные исследования в волновом лотке.

2.3.1 Исходные данные проведения экспериментов.

2.3.2 Результаты экспериментальных исследований.

2.4 Экспериментальные исследования на пространственной модели.

2.4.1 Экспериментальные исследования при пологом неоднородном рельефе дна.

2.4.1.1 Исходные данные проведения экспериментов.

2.4.1.2 Результаты экспериментальных исследований.

2.4.2 Экспериментальные исследования при приглубом береговом склоне, обладающем значительными неоднородностями.

2.4.2.1 Исходные данные проведения экспериментов.

2.4.2.2 Результаты экспериментальных исследований.

2.4.3 Экспериментальные исследования на пространственной модели взаимодействия волн большой амплитуды с оградительным молом в санатории на Черноморском побережье.

2.4.3.1 Исходные данные проведения экспериментов.

2.4.3.2 Результаты экспериментальных исследований.

Глава 3. Математическое моделирование взаимодействия волн большой амплитуды с гидротехническими сооружениями при неоднородном рельефе дна.

3.1 Основные уравнения.

3.2 Расчет трансформации волн с неоднородным рельефом дна. т 3.3 Результаты расчетов трансформации волн при неоднородном рельефе дна.

3.4 Сравнительный анализ экспериментальных данных с результатами расчетов.

Глава 4. Разработка методов инженерной защиты от негативного влияния понижений дна на волновое воздействие.

4.1 Экспериментальные исследования методов берегозащиты от негативного влияния «каньонов» на трансформацию волн.

4.1.1 Исходные данные проведения экспериментов.

4.1.2 Экспериментальные исследования защиты побережья и сооружений от воздействия направленной струи, образуемой в результате фокусировки волн.

4.1.3 Экспериментальные исследования защиты побережья от абразионных процессов, вызванных влиянием каньонов на баланс наносов.

За долгую историю освоения морских побережий, человек познал многое из того, что совершается в пограничной области между морем и сушей. С развитием науки были установлены важнейшие закономерности движения воды в зоне трансформации и разрушения волн, особенности строения динамики и развития морских берегов. Выявлены многие факторы и причины, определяющие изменения береговой линии и рельефа прибрежного мелководья. Разработаны основные положения теории и практики защиты морских берегов от опасных геологических процессов. Прогресс в области гидротехники позволил создать различные типы сооружений, способных выдерживать громадные нагрузки. Тем не менее, проблема защиты морских берегов не потеряла своей остроты и в наши дни.

В настоящее время в широких масштабах ведется освоение морских побережий, гражданское, промышленное и курортное строительство. При проектировании гидротехнических берегозащитных сооружений необходимо решать комплекс задач по воздействию волн и течений на сооружение, проектируемых объектов на смежные участки берега, режим движения наносов, подводный береговой склон, вдольбереговые течения и водообмен. В настоящее время проектирование нередко ведется на базе устаревших нормативных методов расчета, что зачастую приводит к серьезным негативным последствиям.

Анализ причин разрушения ряда объектов на морских побережьях (например, дамба в Имеретинской бухте, г. Сочи; ж. д. станция Поляково, о. Сахалин) показал, что одной из основных причин является неучет особенностей рельефа дна в прибрежной зоне. В частности, установлено, что напротив мест с наибольшими разрушениями, где наблюдалось максимальное волновое воздействие, отметки подводного рельефа дна были пониженными. Как правило, наибольший ущерб получали те гидротехнические сооружения, которые находились напротив понижений дна (классические каньоны, небольшие ложбины).

Из нормативного метода расчета трансформации волн в мелководной зоне моря этот результат не следует. Наоборот, при оценке по нормативной методике в данной зоне должно было быть наименьшее волновое воздействие на сооружение.

Целью настоящей работы является исследование, с помощью методов физического, математического моделирования и натурных наблюдений, волнового воздействия на гидротехнические сооружения при неоднородном рельефе дна и обосновании методики прогноза такого воздействия с разработкой инженерных методов защиты.

Основное внимание в данной работе уделялось:

- исследованию фазовой скорости волн, независимо от положения на подводном склоне;

- изучению волновых процессов в верховьях различных понижений дна и оценка влияний этих процессов на гидротехнические сооружения соответственно;

- исследованию влияния каньонов на литодинамические процессы береговой зоны, оценке влияния этих процессов на побережье и сооружения;

- разработке инженерных методов защиты побережья, расположенного напротив понижений дна (классические каньоны, небольшие ложбины);

- разработке методов борьбы с низовыми размывами, связанными с влиянием каньонов на литодинамические процессы береговой зоны.

9. Результаты работы внедряются в современную практику берегового строительства. В настоящий момент, с учетом результатов исследований запроектирован оградительный мол гавани для маломерных судов в санатории «Правда», г. Сочи, даны рекомендации по «усилению» конструкции берегозащитных сооружений морского терминала КТК, поселок Южная Озереевка. В дальнейшем на базе проведенных исследований будут внесены предложения для уточнения соответствующего раздела СНиП 2.06.04-82*.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Алешков Ю.З. Течение и волны в океане. СПб: Издательство Санкт-Петербургского университета, 1996. - 228 с.

2. Бровко П.Ф. Развитие прибрежных лагун. Владивосток: Изд. Дальневосточного университета, 1990.

3. Дейли Дж., Харлеман Д. Механика жидкости. Пер. с англ. М.: «Энергия», 1971.-480 с.

4. Джунковский Н.Н., Каспарсон А.А., Курлович Е.В., Смирнов Г.Н., Сидорова А.Г. Порты и портовые сооружения. Часть II. — М.: Изд. Литературы по строительству, 1967. — 447 с.

5. Загрядская Н.Н. Определение волнового режима на огражденных акваториях и подходах к ним методом параболического уравнения // ВЦ СО АН СССР, препринт №7. 1988.

6. Зенкович В.П. Берега Черного и Азовского морей. — М.: Географгиз, 1959. -360 с.

7. Зенкович В.П., Меньшиков B.JL, Андреев Ю.В. Обвал в вершине подводного каньона // Докл. АН СССР. 1974 т.216, № 6. - С. 1356-1359.

8. Зенкович В.П., Дубман Д.М., Кикнадзе А.Г. и др. Геоморфологические наблюдения на материковом склоне и в подводных каньонах Пицунды // Сообщ. АН ГССР. 1975. - Т. 78, № 1.-С. 109-112.

9. Зенкович В.П., Белова Н.Т., Илларионов В.К. О влиянии вершины подводного каньона на перемещение гальки по пляжу // Геоморфология. — 1976. — № 2. С. 60-66.

10. Зенкович В.П., Дубман Д.М., Кикнадзе А.Г. и др. Наблюдения в подводных каньонах Адлерского района // Сообщ. АН ГССР. -1976. Т. 81, № 2. - С. 377-379.

11. Зенкович В.П., Канделаки В.В., Кикнадзе А.Г. Наблюдения в Батумском и Чорохском подводных каньонах // Сообщ. АН ГССР. 1978. - Т. 91, № 1. - С. 77-79.

12. Карабанов Е.Б., Фиалков В.А. Подводные каньоны Байкала. — Новосибирск: Наука, 1987. 103 с.

13. Каплин П.А., Селиванов А.О. Изменения уровня морей России и развитие берегов: прошлое, настоящее, будущее. М.: ГЕОС, 1999.

14. Кирлис В.И. Зависимость скоростей потока заплеска от параметров волн, разрушающихся в зоне окончательного опрокидывания. // Тр. АН ЛитССР. Сер. Б, 1968. С. 137-146.

15. Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Цыплухин В., Ф. Ветровые волны и их воздействия на сооружения. — Л .: Гидрометеоиздат, 1976. — 256 с.

16. Кононкова Г.Е., Показеев К.В. Динамика морских волн. М.: Изд-во МГУ, 1985.-298 с.

17. Котенев Б.Н. Некоторые данные о доставке осадочного материала придонными течениями по подводным каньонам Атлантического океана // Тр. ВНИИ мор. рыб. х-ва и океанографии. 1976.

18. Лайтхилл Дж. Волны в жидкостях. Пер. с англ. М.: «Мир», 1981. — 598 с.

19. Лаппо Д.Л., Стрекалов С.С., Завьялов В.К. Нагрузки и воздействия волн на гидротехнические сооружения. — Ленинград.: ВНИИГ им. Веденеева, 1990 г. -432 с.

20. Лаппо Д.Д., Жуковец A.M., Мищенко С.М. Условия автомодельности в исследованиях волнового движения жидкости // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева Изд. ВНИИГ им. Веденеева, 1985.

21. Леонтьев O.K., Сафьянов Г.А. Каньоны под морем. — М.: Мысль, 1973.-260 с.

22. Леонтьев И.О. Динамика прибойной зоны. М.: Ин-т океанологии АН СССР, 1989.- 184 с.

23. Леонтьев И.О. Прибрежная динамика: волны, течения, потоки наносов. М.: ГЕОС, 2001. - 272 с.

24. Лисицын А.П. Осадкообразование в океанах. М.: Наука, 1974.

25. Лонгинов В.В. Проблема суспензионных потоков в литодинамике океана // Океанология. -11.- №3, 1971.

26. Лонгинов В.В. Очерки лито динамики океана. — М: Наука, 1973. -243 с.

27. Лымарев В.И. Современные проблемы комплексного природопользования // Изв. Русского Геологического общества, 1995. Т. 127.-Вып. 2.

28. Лучина М.А., Новгородцева Г.А., Романова В.А. Микробиологическая коррозия стальных конструкций гидросооружений. Ленинград: Типография ВНИИГ им. Веденеева, 1976. — 34 с.

29. Маев Е.Г. Подводные оползни и отложения суспензионных потоков на дне Южного Каспия // Океанология. — 1964. — Т. 4, вып. 2.-С. 561-563

30. Макаров К.Н. Основы проектирования берегозащитных мероприятий. ПНИИИС Госстроя РФ, 1999. - 222 с.

31. Марчук Ан.Г., Чубарев Л.Б., Шокин Ю.И. Численное моделирование волн цунами. — Новосибирск: Наука, 1983. — 175 с.

32. Масс Е.И., Мальцев В.П., Шахин В.М., и др. Рекомендации по гидравлическому моделированию волнения и его воздействий на песчаные побережья морей и водохранилищ. М.: ЦНИИС, 1987. — 83 с.

33. Массель С., Пелиновский Е.Н., Хибицкий В. Накат «дисперсионных» волн на плоский откос. // Межвуз. сб. Горьков. политехи, ин-та. Горький, 1990. С. 6-19.

34. Меньшиков В.Л. О процессах развития рельефа вершин подводныхканьонов // Океанология. 1976 - Т 16, вып. 6. - С. 1056-1063.

35. Меньшиков В.Л., Гуджабидзе М.М., Шубитидзе Т.Д. О роли подводных каньонов в разрушении берегов Пицунды // Первый съезд советских океанологов: Тез., докл. М.: Наука, 1977. - Вып. З.-С. 190-191.

36. Меньшиков В.Л., Пешков В.М. К вопросу о влиянии предустьевых каньонов р. Бзыби на бюджет береговых наносов // 14-я Научная конференция Береговой Секции Океанографической комиссии АН СССР.-М.: Изд. Наука, 1981.-С 101-108.

37. Меоте Ле. Введение в гидродинамику и теорию волн на воде: перевод с англ. Л., Гидрометеоиздат, 1974. - 367 с.

38. Мунк В., Трэйлор М. Рефракция океанских волн — процесс,т связывающий топографию дна с размывом пляжа // Основыпредсказания ветровых волн, зыби и прибоя. — М.: Изд. иностранной литературы, 1951.

39. Петров В.А. Распределение придонных горизонтальных скоростей по профилю галечного пляжа. // Водные ресурсы. — 1985. №4. С. 108-113.

40. Пешков В.М. Наблюдения по динамике рельефа вершины подводного каньона Акула // Геоморфология. 1974. — № 3. — С. 82-86.

41. Пешков В.М. Влияние подводного каньона на аккумулятивные берега // Изв. ВГО. 1976. - Т. 90, № 1 - С. 97-100.

42. Пешков В.М. Морские берега. Краснодар: Изд. Кубанский учебник, 2000. - 143 с.

43. Пешков В.М. Береговая зона моря. Краснодар: Лаконт, 2003. -350 с.

44. Пиджегер Д., Гэтж. П., Томпсон У. Измерение природных течений в вершине подводного каньона Монтерей // Второй международный океанограф, конгресс: Тез. докл. М.: Наука, 1966.-С. 309-310.

45. Поверка и калибровка измерительной системы МКВС. Рабочая инструкция РИ32, М.: ОАО ЦНИИС, 2001 г. 32 с.

46. Радионов А.Е. Влияние понижений дна на концентрацию энергии волн в прибрежной зоне моря // Вторая международная научно-практическая конференция «Строительство в прибрежных курортных регионах»: Тез. докл. Сочи.: Изд. СГУТиКД, 2003. — С. 60-61.

47. Радионов А.Е. Анализ распределения скорости волн в прибрежной зоне моря // Юбилейный сборник, посвященный 280-летию образования РАН и 15-летию образования СНИЦ РАН «Проблемы устойчивого развития регионов юга России». Сочи, 2004. — С. 123-125.

48. Радионов А.Е. Влияние подводного каньона на транспорт наносов при пологом рельефе дна // Транспортные сооружения. Расчеты, испытания, строительство. Научные труды ОАО ЦНИИС. Выпуск №220. Москва, 2004. - С. 111-116.

49. Радионов А.Е. Влияние каньонов на бюджет наносов на Черноморском побережье // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы комплексного управления прибрежными зонами». Туапсе: Филиал РГТМУ в г. Туапсе, 2004.-С. 104-106.

50. Радионов А.Е. Влияние подводных каньонов на формирование берега // Материалы V конференции молодых ученых «Проблемы устойчивого развития регионов рекреационной специализации». -Сочи, 2004.-С. 48-51.

51. Радионов А.Е. Зависимость трансформации волн от подводного рельефа дна в мелководной зоне // Труды VI конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». Институт водных проблем РАН. М.: 2004. - С. 254-257.

52. Радионов А.Е. Защита прибрежной территории от волнового воздействия при неоднородном рельефе дна // Молодые ученые в транспортной науке. Научные труды ОАО ЦНИИС. Вып. 228. Юбилейный. М.: ОАО ЦНИИС, 2005. - С. 111-117.

53. Розенберг JI.A., Улановский И.Б. Развитие бактерий при катодной поляризации стали в морской воде //Микробиологическая коррозия металлов в морской воде. Некоторые методы защиты. М.: Изд. Наука, 1983.-С. 69-72.

54. Рыбак O.JI. Состояние берегов России и современные методы берегозащиты // Сборник научных трудов ЦНИИС «Защита морских берегов». М.: Изд. ЦНИИС, 1995. - С. 13-20.

55. Самолюбов Б.И. Придонные стратифицированные течения. — М.: Научный мир, 1999.

56. Сафьянов Г.А. Седиментация в береговой зоне и подводные каньоны // Вестник Московского университета. Сер. география. — №4,1968.

57. Сафьянов Г.А. Подводные каньоны и мутьевые потоки // Комплексные исследования природы океана. — М.: Издательство МГУ, 1970.-Вып. 1.-С. 107-134.

58. Сафьянов Г.А. Баланс наносов береговой зоны Пицунды в связи с утечкой наносов в подводные каньоны // Комплексныеисследования природы океана. М.: Издательство МГУ, 1971. -Вып. 2.-С. 105-118.

59. Сафьянов Г.А. Геоморфология подводных каньонов и глубоководных конусов выноса восточной части черного моря // Первый съезд советских океанологов: Тез. докл. М.: Наука, 1977.- Вып. 3. С. 169-170.

60. Сафьянов Г.А., Вольнев В.М. Конус выноса Ингурской системы подводных каньонов (Черное море) // Геоморфология. — 1978. № 2.-С. 99-103.

61. Сафьянов Г.А. Геоэкология береговой зоны океана. — М.: Изд. Московского университета, 2000.

62. Сафьянов Г.А., Меньшиков B.JL, Пешков В.М. Подводные каньоны их динамика и взаимодействие с береговой зоной океана.- М.: Издательство ВНИРО, 2001.- 197 с.

63. Селезов И.Т., Сидорчук В.Н., Яковлев В.В. Трансформация волн в прибрежной зоне шельфа. — Киев: Наукова думка, 1983. — 112 с.

64. Селезов И.Т. Моделирование волновых и дифракционных процессов в сплошных средах. Киев: Наукова думка, 1989. — 204 с.

65. Смирнов Г.Н., Горюнов Б.Ф., Курлович Е.В., и др. Порты и портовые сооружения. М.: Стройиздат, 1979. — 607 с.

66. Смирнова Т.Г., Правдивец Ю.П., Смирнов Г.Н. Берегозащитные сооружения. М.: Изд. АСВ, 2002. - 303 с.

67. СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). -М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1989.-40 с.

68. СНиП 2.06.01-86 «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования». М., ЦИТП Госстроя СССР, 1987. -30 с.

69. СП 32-103-97 «Проектирование морских берегозащитных сооружений». М.: Трансстройиздат, 1998. — 222 с.

70. Тлявлин P.M. Определение величины волнового нагона за берегоукрепительными подводными волноломами // Сборник трудов ОАО ЦНИИС, вып. №216 «Совершенствование конструкций транспортных сооружений для экстремальных условий». М.: Изд. ОАО ЦНИИС, 2003.

71. Тлявлин P.M. Влияние волноломов проницаемой конструкции на береговые процессы // Труды VI конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». Институт водных проблем РАН. М.: 2004. - С. 474-477.

72. Тлявлин P.M. Портовые укрытия нового типа // Материалы конференции «Проблемы устойчивого развития регионов рекреационной специализации». Сочи: СНИЦ РАН, 2004.

73. Тлявлин P.M., Тлявлина Г.В, Рифы на черноморском побережье // Материалы конференции молодых ученых «Проблемы устойчивого развития регионов рекреационной специализации». -Сочи: Изд. СНИЦ РАН, 2004.

74. Тримонис Э.С., Шимкус К.М. Об осадконакоплении в вершине подводного каньона // Океанология. — 1970. — Т. 10, вып. 1. — С. 98 -112.

75. Чугаев P.P. Гидравлика. Л.: Энергоиздат, 1982. - 672 с.

76. Цатурян Г.А. Рациональные берегозащитные конструкции // Сборник научных трудов ЦНИИС «Защита морских берегов». — М.: Изд. ЦНИИС, 1995. С. 39-68.

77. Шарп Дж. Гидравлическое моделирование. — М.: Мир, 1984. 280 с.

78. Шахин В.М., Шахина Т.В. «Моделирование трансформации волн и течений в прибрежной зоне моря». М. Океанология, 2000 г, том 40, №5, с 653-657

79. Шахин В.М., Шахина Т.В. Метод расчета дифракции и рефракции волн. // Океанология. 2001. - Т. 41, вып. 5. - С. 729-732.

80. Шахин В.М., Тлявлин Р.М, Перспективные методы и сооружения для защиты прибрежной зоны моря // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы комплексного управления прибрежными зонами». Туапсе: Филиал РГТМУ в г. Туапсе, 2004. - С. 45-49.

81. Шепард Ф.П. Происхождение подводных каньонов по данным наблюдений с помощью погружаемых устройств и обычных судов // Второй международный океанограф, конгресс: Тез. докл. — М.: Издательство АН СССР, 1966. С. 426-427.

82. Шепард Ф.П., Дилл Р.Ф. Подводные морские каньоны. — JI.: Гидродрометеоиздат, 1972.— 343 с.

83. Шепард Ф.П. Морская геология. — 3-е издание — Л.: Недра Ленинградское отделение, 1976. 488 с.

84. Шулейкин В.В. Рефракция волн на материковой отмели. Изд. АН СССР, отдел естественных наук. — 1935, № 10. - С. 1355-1369

85. Шахин В.М. Взаимодействие на вълни с проницаеми сьорьжения в прибойната зона // Берегозащитв — 89. София, 1990. — С. 99-105.

86. Arthur R.S., Munk W.H., Isaacs I.D. The direct construction of wave rayse. Trans. Amer. Geophys. Union, 1952. Vol. 33, № 6. — P. 855865.

87. Berkhoff J.C. Mathematical models for simple harmonic linear water waves. Wave diffraction and refraction. — Delft Univ. of Technol., 1976. № 163.- 112 p.

88. Dalrymple R.A., Physical modeling in coastal engineering // A.A. Balkema. Rotterdam, 1985.

89. Daly R.A. Origin of submarine canyons // Amer. J. Sci. 1936. V. 31. -P. 401-420.

90. Domuth J.E., Embley R.W. Upslope flow turbidity currents on the northwest flank of Ceara Rise // Western Equatorial Atlantic Sedimentology. 1979.-V.26

91. Domuth J.E., Embley R.W. Mass-transport processes on Amazon cone: Western Equatorial Atlantic // AAPG Bull. 1981. - V. 65/4.

92. Emery K.O. The Sea off Southern California // New York London. 1960.

93. Ghireoia Т., Marin E. Protectia catodica a ecranelor de palpansa metalice folosite la consolidarea terenului de fiindatie a barajelor. -Hidrotehnica, 1964. V. 9, №1. P 22-25.

94. Gordon F. Sand bypassing systems // Shore and beach. 1968. Vol. 36. N2-P. 27-33.

95. Griggs G.B., Kulm L.D. Sedimentation in Cascadia deep-sea channel // Bull. Geol. Soc. Amer. 1970. - V.81 -№6.

96. Griggs G.B., Fowler G.A. Foraminiferal trends in a Holocene turbidite // Deep-Sea Research. 1971. - V. 18. - №6.

97. Griggs G.B., Kulm L.D. Origin and development of Cascadia deep-sea channel // J. Geophys. Res. 1973. - V.78. - №27.

98. Hand B.M., Emery K.O. Turbidities and topography of north end of San Diego Trough, California // J. Geol. 1964. - V. 72. - №3.

99. Hubert J. Textural evidence for deposition of many western North Atlantic deep-sea sands by ocean-bottom currents rather than turbidity currents // Journ. Geology. — 1964. — V. 72.

100. Le Petit J.W. Etude de la refraction de la houle monochromatique par la calcul numerique. — Bull. Du Centre de Recherches et d'Essais de Chatou, 1964. № 9. P. 3-25.

101. Menard H. W. Deep-Sea channels, topography and sedimentation // Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol. 1955. - V.39.

102. Middleton G.V. Experiments of density and turbidity currents // Canadian J. of Earth Sciences. — V.4. — №3, 1967.

103. Peregrine D.H. Long waves on the beach // J. Fluid Mech. 1967. V.27. Pt 4. P. 815-827.

104. Radder A.C. On the parabolic equation method for water wave propagation // J. Fluid Mech. 1979. Vol. 95. P. 159-176.

105. Reimnitz E. Surf-beat origin for pilsating bottom currents in the Rio Balse submarine canyon. Mexico // Bull. Geol. Soc. America. — 1971. Vol. 82, № l.-P. 81-89.

106. Richards A.F. Rates of marine erosion of tephre and lava at Isla San Benedicto, Mexico // 21st Internat. Geol. Congr. Copenhagen. 1960. — Part 10.

107. Ryan W., Heezen B.C. Ionian Sea submarine canyons and the 1908 Messina turbidity current // Bull. Geol. Soc. Amer. V. 76, 1965.

108. Shakhin V.M., Shakhina T.V. Pollutans transfer in coast zone // Computational Mechanics Publications on Water Pollution III «Modeling, Measuring and Prediction». Ed. Wrobel L.C., Latinopoulos P. Southampton-Boston, 1995. P. 221-228.

109. Shepard F. Diving saucer descents into submarine canyons // Trans. Acad. Sci. 1965. - V. 27. - №3.

110. Shepard F. P., Marshall N.F. Currents in La Jolla and Scripps submarine canyons // Science. 1969. - Vol. 165, № 3889. - P. 177-178.

111. Shepard F. P., Dill R.F. Currents in submarine canyon heads off nort St. Croix, U.S. Virgin Islands // Marine Geol. 1977. Vol. 24, № 3. - P 3945.

112. Shepard F. P., Marshall N.F., Mcloughlin P.A., Sullivan G.G. Currents submarine canyons and other sea valleys // AAPG Stud. Geol. 1979. — №8.-173 p.

113. Shumaher M. Seawater corrosion handbook. New Jersey: Noyes Data Corporation, 1979. — 510 p.

114. Sternberg R.W., Cacchione D.A., Paulson В., Kineke G.C., Drake D.E. Observations of sediment transport on the Amazon subaqueous delta // Continent. Shelf Res. 1996. -V. 16. №5-6.

115. Stive M.J.F. A scale comparision of waves breaking on a beach. -Coast. Eng., 9,2. 1985.

116. Svendsen I.A. Wave heights and set-up in surf-zone // Coastal Eng, 1984. Vol. 8. P.303-329.

117. Wilde P.N., Normark W.R., Chase Т.Е. Channel sands and petroleum potential of Monterey deep-sea fan, California // Bull. Assoc. Petrol. Geol. 1978. - Vol. 62, № 6. - P. 967 - 983.

118. Wilson S.W. A method for calculating and plotting surface wave rays. -Techn. Memor. 17, Coastal Eng. Center, U. S. Army Corps of Eng. 1966.-P. 1-57.