Спросить
Войти
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
ГИДРОЛИТОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ БЕРЕГОВОЙ ЗОНЫ МОРЯ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЗАНОСИМОСТЬ МОРСКИХ ПОДХОДНЫХ КАНАЛОВ
Губина Н.А.
Губина Надежда Андреевна - кандидат технических наук,
доцент,
кафедра гидравлики и гидротехнического строительства, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет,
г. Москва
Аннотация: в статье анализируются имеющиеся исследования влияния основных береговых процессов прибрежной зоны моря на заносимость подходных каналов к морским портам. В большинстве случаев морские порты расположены на мелководном побережье и требуют устройства глубоких и протяженных подходных каналов и значительных затрат на поддержание на каналах навигационных глубин.
После строительства подходного канала морского порта происходят изменения в динамике береговой зоны, что
приводит к снижению скорости потока наносов и к уменьшению его емкости. На заносимость в первую очередь влияют изменение глубины потока, характера вдольбереговых течений, а также трансформация волн над каналом. Это означает, что канал следует рассматривать как искусственную прорезь, являющуюся элементом рельефа подводного склона, подверженную влиянию всех природных факторов береговой зоны.
Изменение параметров волн на подходном канале определяется соотношением между габаритами прорези и длиной волны расчетной обеспеченности. Влияние прорези практически не сказывается на распространении волнения, когда длина волны равна или превышает ширину подходного канала. В противном случае подходные каналы выступают диссипаторами волновой энергии. Сразу после пересечения прорези длина и высота волн несколько уменьшаются в результате рефракции, и происходит осветление масс воды за счет выпадения части наносов. Однако с приближением к берегу, диссипация волн вне канала приводит к тому, что над самим каналом волны оказываются значительно выше, чем внешние, и наибольшие высоты отмечаются у его боковых границ.
В связи с тем, что в районе морских каналов глубины резко меняются на расстоянии, соизмеримом с длиной волны, процесс трансформации волн описывается с использованием представлений о спектральной структуре морских волн. В случае подхода фронта волны под углом к изобатам и при частоте меньше критической, частотные составляющие спектра не пересекают канал. Таким образом, после пересечения канала энергия волн, а, следовательно, их высота и средний период, становятся значительно меньше. Причиной такого характера трансформации волн является различная степень рефракции спектральных составляющих, имеющих разный период и направление распространения. За счет этого часть энергии исходной сложной волны не достигает второй бровки, что приводит к уменьшению волновых скоростей в прорези и к осаждению наносов на дно канала.
В основном для динамики береговой зоны существенное значение имеют волновые течения. В результате теоретических и экспериментальных исследований [1] было установлено, что, в зависимости от глубины, эпюры переносной скорости будут различны. В верхнем слое воды на всем подводном склоне прямой перенос направлен в сторону берега, в нижнем слое наблюдается отточное (компенсационное) противотечение.
В настоящее время известно множество моделей для определения скоростей вдольбереговых течений. В случае плосконаклонного дна и малых углов подхода волн к береговой линии наибольшее распространение получила модель Лонге-Хиггинса [2], согласно которой, для однородных условий вдоль берега уравнение сохранения импульса, учитывающее радиальное напряжение, турбулентное горизонтальное перемещение и донное трение представляются в безразмерном виде. Согласно этой модели, скорость течения на линии обрушения волн прямо пропорциональна уклону дна, определяющему скорость диссипации, синусу угла подхода волн и глубине обрушения, зависящей от исходной волны. При этом в модели учитываются вклады бокового перемешивания и донного трения. Максимум скорости течения находится внутри прибойной зоны и с уменьшением влияния бокового трения приближается к линии разрушения волн. Движущая сила течения увеличивается от берега к линии разрушения волн и сразу за ней исчезает.
Модель Лонге-Хиггинса послужила основой для создания более усовершенствованных математических моделей. В них учитываются большие углы подхода волн к берегу, большие скорости течения, отличный от прямолинейного профиль дна (реальная топография), а также нерегулярность волн.
Такое локальное изменение рельефа, как подходной канал, формирует направленную в море струю оттока, которая при значительной ширине подходного канала сравнительно невелика. В узком канале она может приобретать вид разрывного течения. Разрывные течения
являются частным случаем компенсационных течений и возникают в результате волнового нагона у берега, а также при встрече двух разнонаправленных вдольбереговых потоков. Поэтому в результате взаимодействий вдольберегового течения и струи оттока создается сложная система прибрежных течений, существенно влияющая на процесс заносимости подходного канала.
Основной характеристикой перемещения взвешенных наносов является распределение их концентрации в водной толще. Как правило, концентрация увеличивается сверху вниз, и наибольшее значение имеет в придонном слое толщиной 0,1 ^ 0,2 от глубины потока. По данным исследований [1], расход взвешенных наносов во внешней зоне в придонном слое составляет до 98 % от всего расхода взвешенных частиц. Однако на границе между внутренней и внешней зонами, на линии разрушения волн, такое распределение нарушается в результате интенсивного взвешивания наносов.
Наиболее полно проблемы, связанные с теорией, измерениями и распределением концентрации взвешенных наносов в береговой зоне моря были рассмотрены С.М. Анциферовым [3]. Проведенные исследования позволили установить закономерности распределения среднего размера взвешенных наносов для каждого типа волн. Из многочисленных моделей, предложенных для расчета вертикального профиля средней за период концентрации взвеси в зоне разрушенных волн, наибольшую сходимость с экспериментальными данными получила модель Р.Д. Косьяна [4]:
^ = ехр [- М (1)
где —=— - отношение концентрации взвеси к среднему
значению концентрации материала; г - высота горизонта от дна; КВ - градиент логарифма концентрации взвешенных наносов, который зависит от гидравлической крупности
частиц, от высоты волны в месте ее разрушения, относительного количества разрушающегося в данном пункте волн:
£вК = /
Предложенная Р.Д. Косьяном модель отражает перемешивание частиц за счет турбулентности в донном пограничном слое и орбитального движения. При этом среднее значение концентрации материала взвеси пропорционально амплитуде придонной орбитальной скорости. Профиль средней концентрации наносов в зоне обрушения предлагается определять с учетом высоты волны в месте ее разрушения и относительного количества разрушающихся волн на данном участке береговой зоны.
В отличие от взвешенных частиц более крупные частицы песка перемещаются по береговому склону, образуя донные микроформы в виде рифелей, отражающих взаимосвязь определенных гидравлических условий и степень подвижность наносов. Длина и высота рифелей зависят от параметров волнового поля и характеристик частиц грунта. При развитом шторме они соответствуют волновой обстановке, а при затухании шторма напряжения у дна оказываются слишком малыми, чтобы перемещать отдельные песчинки, и после этого размеры рифелей не изменяются [3].
Изучение динамики прибрежных наносов в основном касается наиболее распространенных в природе морских берегов, сложенных песчаными частицами. Из-за отсутствия сил сцепления, они легко приходят в движение и перемещаются под действием волн и течений, что обуславливает морфологические изменения рельефа дна и контура берега. Наибольшую трудность представляет расчет концентрации взвешенных частиц с разным набором грунтовых условий. В этом случае предлагается сводить задачу к расчету концентрации над участками, сходными по рельефу, составу отложений и динамической обстановке, с последующей интерполяцией по всей береговой зоне. Заносимость канала увеличивается при уменьшении
крупности наносов, а при малоустойчивых илистых грунтах приобретает интенсивный характер.
Итоговое перемещение наносов вдоль берега происходит одновременно в продольном и поперечном направлениях. Значение емкости потока наносов будет наибольшим при угле подхода волн к берегу 30 - 50□. Интенсивность перемещения наносов в поперечном направлении определяет процесс формирования профиля динамического равновесия подводного склона в соответствии с силой и направлением течения.
Наиболее интенсивное вдольбереговое перемещение по данным натурных наблюдений, согласующихся с моделью Лонге-Хиггинса [2], происходит в зоне критической глубины обрушения волн, где имеет место максимальное воздействие волн и течений на поверхность песчаного дна. Далее в сторону моря интенсивность перемещения уменьшается, и в конечном итоге, перенос материала полностью прекращается на глубине замыкания. При этом глубина замыкания характеризует как отдельные штормовые ситуации, так и более длительные периоды эволюции берега и определяется как 3 ^ 5 hd. В сторону уреза интенсивность вдольберегового перемещения песчаных наносов также уменьшается, вследствие рефракции и диссипации волн. При каждом шторме сила и направление волнения и течения меняется, а это влечет за собой изменение интенсивности и направления вдольберегового перемещения наносов.
Резкое увеличение глубин после сооружения подходного канала приводит к прерыванию потока наносов, при этом наносы попадают на глубину, где на них уже не действуют волновые скорости. Заносимость канала происходит от всех направлений действия шторма и определяется как сумма встречных потоков наносов Q1 и Q2 (рис. 1). Поэтому при проектировании и эксплуатации подходных каналов необходимо знать характеристики и баланс потока наносов на соответствующем участке побережья. Баланс материала в береговой зоне моря представляется в виде равенства сумм
приходных и расходных статей, носящих индивидуальный характер для различных районов [1].
В зависимости от соотношения количества наносов, поступающих в береговую зону, и количества наносов, ушедших из нее за определенный период времени, происходит либо образование аккумулятивных форм, либо размыв. Соотношение балансовых статей меняется во времени в зависимости топографии берегового участка, изменения во времени параметров волн и систем прибрежных течений.
преобладающее
направление действия шторма
распределение V
Рис. 1. Распределение объемов отложений V в подходном канале без оградительных сооружений
Несмотря на существование достаточного количества исследований, измерение составляющих баланса наносов представляет сложную задачу. Поэтому на практике для оценки прибрежной динамики наносов на исследуемом участке проводятся промерные работы с определенным интервалом
времени и дальнейшие вычисления разности площадей подводного профиля. Необходимо отметить, что расчет баланса наносов необходимо вести дифференцированно для отдельных литодинамических систем - целостных природных единиц, режим движения потоков наносов которых практически не зависит от режима соседних участков береговой зоны. В пределах одной литодинамической системы вдольбереговой поток наносов проходит все стадии от своего зарождения до полной разгрузки.
Список литературы
