Estimation of the main parameters of wave action on the gentle slopes of the banks of large water bodies

Full Text

Введение Защита от волновых воздействий береговых участков водных объектов рекреационного назначения, откосов приканальных земляных дамб, прибрежных транспортных магистралей, откосов судоходных и крупных мелиоративных каналов и водотоков, подвергающихся разрушению под действием как природных - ветер, волны, дождь, снег, лед, выходы грунтовых вод и т. д., так и искусственных (производственных) - колебания уровня от работы шлюзов, затворов водопропускных сооружений, насосных станций, действия волн проходящих судов, работы землечерпательных снарядов, когда в этом возникает необходимость, факторов, осуществляется с помощью специальных гидротехнических сооружений (ГТС). В мировой практике для проведения берегозащитных мероприятий в прибрежных зонах используются различные классические типы пляжеудерживающих ГТС1 [1]. Среди них можно выделить следующие основные типы [2]: галечные и песчаные пляжи (рис. 1); прикрытия из камня или фасонных массивов; поперечные сооружений типа пляжеудерживающих бун, шпоры, подводные волноломы с траверсами, подводные банкеты (рис. 2), мысы и острова; подводные рифы, вдольбереговые банкеты, волнозащитные стены с вертикальной, криволинейной либо ступенчатой передней гранью; сквозные стены, свайные поля и другие сооружения [3-5]. Изображение выглядит как земля, на открытом воздухе, природа, берег Автоматически созданное описание а б в Рис. 1. Эрозия берегов крупного водного объекта (обследование выполнено осенью 2022 г.): а - с песчаным пляжем [2]; б - искусственного пляжа, отсыпанного щебнем и гравийно-галечниковым материалом [2]; в - р. Протва в месте впадения в р. Оку (фото О.Н. Черных) Figure 1. Erosion of the banks of a large water body (survey completed in autumn 2022): a - with a sandy beach [2]; б - an artificial beach, backfilled with rubble and gravel-pebble material [2]; в - Protva River at the confluence with the Oka River (photo by О.N. Chernykh) Защита морских побережий и берегов крупных водохранилищ является сравнительно молодой отраслью гидротехнического строительства. В нашей стране впервые морские берегозащитные ГТС были построены в Сочи в конце 1940-х гг. [6]. Научные основы морской берегозащиты уже прошли стадию становления. Однако в области береговой гидротехники существует много проблем, которые ждут своего разрешения. В частности, в дальнейшем изучении нуждается явление взаимодействия волн с ГТС и пляжами. Существует необходимость в разработке теории расчета конструкций биопозитивных берегозащитных ГТС на устойчивость и прочность, также имеются нерешенные технологические проблемы. Наметились две тенденции в практике защиты берегов. Приверженцы первой отдают предпочтение инженерным методам, основанным на использовании ГТС; сторонники второй исключают инженерное вмешательство в береговую зону водного объекта и считают, что в основе берегозащиты должен лежать принцип сохранения естественного ландшафта побережий. Задача береговой гидротехники как науки - обеспечить оптимальное сочетание этих двух тенденций. Для обеспечения рекреационных потребностей на крупных водных объектах везде, где это приемлемо по технико-экономическим показателям, уширяют существующие или создают новые искусственные пляжи, стремясь по возможности не обострять проблемы охраны используемых территорий. В существующих крупных акваториях большое место занимают галечниковые пляжи, общая длина которых составляет около 5 % от всей береговой линии Мирового океана, или порядка 40 тыс. км. Из современных технологий можно выделить: экологические технологии «Строительство вместе с природой», базирующиеся на создании намывных прибрежных территорий, они часто применяются в Европе и получили широкое распространение в Азии, Африке, Америке и Австралии; устройство на дне биологического крепления в виде посадок влаголюбивых растений; полосы из полипропилена искусственных водорослей и ряд других решений из природных и природоприближенных материалов экодинамического проектирования (габионов, валунного камня, специальных полименизированных бетонов, миксированных биопозитивных, типизированных фасонных блоков, заборчатых конструкций для образования отмелей, использование сочетания укрепления шпунтом или сваями с другими типами креплений или применение биоинженерных систем с геооболочками и геотубами, искусственных рифов). Среди инновационных решений берегозащиты можно выделить пляжеудерживающие сооружения, например искусственные рифы, которые возводятся на глубине 3-4 м, на участках длиной по 80-100 м (Евпатория, Охотское море, Южно-Курильское мелководье и др.). За последнее десятилетие установлено более полумиллиона рифболов из экобетона в 70 странах мира [6]. Методы и материалы Прогрессивные волны при выходе на мелководье и приближении к берегу трансформируются [7; 8]. Трансформации подвержен профиль волны, при этом ее высота, длина и скорость распространения изменяются. Вопрос о критических параметрах волн в настоящее время рассмотрен в литературе достаточно подробно, как теоретически, так и экспериментально, предложены формулы для определения критической высоты hк, соответствующей длины волны λк к моменту разрушения на пологом склоне, а также критической глубины воды в водоеме Нк, при которой волна теряет устойчивую форму правильного периодического движения и разрушается. Подобные эксперименты проводились в лаборатории гидравлики Московского автомобильно-дорожного института под руководством кандидата технических наук В.И. Алтунина, во Всесоюзном научно-исследовательском институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии Д.И. Алтуниным [7; 8], а ранее выполнялись в гидротехнической лаборатории Московского гидромелиоративного института и в лаборатории отдела динамических исследований Научно-исследовательского института энергетических сооружений под руководством доктора технических наук, профессора В.М. Лятхера [9-11]. Однако особенности трансформации профиля волны, в частности изменение профиля ее гребня к моменту разрушения, а также закономерности вертикального распределения горизонтальных составляющих орбитальных скоростей на ограниченных глубинах исследованы недостаточно. Вместе с тем точность расчета взаимодействия волн с берегозащитными и другими ГТС зависит от достоверности значений кинематических характеристик волн. В этой связи цель исследования - изучение особенностей трансформации профиля волны на мелководье и проведение сопоставительного анализа теории и эксперимента. Большая часть экспериментальных исследований выполнялась в стеклянном волновом лотке длиной рабочей части 8 м, шириной 0,55 м и наполнением 0,5 м [12]. Волны воспроизводились качающимся щитом, приводимым в движение волновой машиной, периоды волны τ равнялись 0,92, 1,22 и 1,64 с. Высоты генерируемых волн составляли для глубоководной зоны hd = 8-12 см, при исходной пологости λd/hd = 10-65, где λd - соответствующая длина волны. Коэффициент начального заложения прибрежного склона m составлял 10, 20 и 30. Профиль волны, время ее набегания t и орбитальные скорости фиксировались с помощью индикаторов и кинокамеры, устанавливаемой на расстоянии 1 м от боковой стеклянной стенки лотка. Результаты и обсуждение На предварительных стадиях наблюдения за процессом трансформации волн установлено, что в мелководной зоне на глубинах Н/λd < 0,3, где Н - глубина воды в водном объекте, происходит перестроение профиля волны. Увеличивается высота гребня волны η, а ее длина уменьшается, в то же время длина ложбины увеличивается. Гребень волны сужается и заостряется, а ложбина становится плоской. Сопоставление с расчетным профилем волны на мелководье, построенным по формулам третьего приближения волновой теории Стокса [13; 14] и второму приближению кноидальной теории волн [15], трансформации волны, зафиксированной на относительных глубинах Н/λd = 0,07; 0,04; 0,03, показало, что при Н/λd ≥ 0,07 расчетные и опытные профили совпадают. При меньшей относительной глубине Н/λd = 0,04 и 0,03 расчетные профили гребня волны все более отличаются от экспериментальных. Лобовая или передняя сторона гребня становится круче ее задней грани. Оказалось, что теоретические решения не учитывают асимметрию профиля волны и дают только симметричную форму гребня на мелководье. Таким образом, расчетные профили гребня волны хорошо согласуются с опытными данными при 0,07, а при уменьшении относительных глубин они все более отличаются. Изучение закономерности изменения профиля гребня волны перед ее разрушением показало, что в зависимости от крутизны исходной волны и заложения склона, результаты которых приведены на рис. 2, для пологих волн с крутизной hd/λd = 0,017-0,02 значение отношения t/τ не зависит от заложения пологого склона и остается постоянной величиной в пределах 0,19-0,21. Эти величины t/τ отражают максимальное перестроение профиля волны перед разрушением. Для волны большей крутизны значения t/τ возрастают и при hd/λd = 0,08 равняются 0,40-0,47. На изменение величины t/τ влияет заложение склона. Для более пологих склонов при постоянстве отношения hd/λd величина t/τ становится больше. В исследованном диапазоне изменения заложения прибрежного склона и пологости исходных волн вычленены два вида разрушения гребня волны: скользящее и ныряющее. При скользящем разрушении (тип I) величина t/τ изменяется в диапазоне 0,21-0,48, а при ныряющем (тип II), соответственно, 0,19-0,30. Причем для склона с m = 30 скользящее разрушение имеет место только для пологих волн с hd/λd < 0,02, для склона m = 10 крутизна волны возрастает до 0,05. Этот результат согласуется с ранее полученными данными [13; 16]. Анализируя изменение относительной высоты гребня (η/hк) (рис. 3), можно отметить, что для крутых волн с hd/λd = 0,08-0,09 наблюдается минимальное значение параметра, равное t/τ = 0,66-0,71. При уменьшении крутизны волны относительная высота гребня возрастает и для склона с m = 30 при hd/λd = 0,017 достигает 0,81. Для более крутого склона (m = 10) и при той же крутизне волны величина η/hк меньше и составляет 0,73. t/τ 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,07 0,09 0,1 hd/λd Изображение выглядит как диаграмма Автоматически созданное описание Рис. 2. График зависимости относительных параметров волны перед разрушением от крутизны исходных волн t/τ = f(hd/λd) на склонах с различным заложением (синим цветом указана граница областей с разным типом разрушения волн): I - область скользящего разрушения волны; II - область ныряющего разрушения волны Figure 2. Graph of the dependence of the relative parameters of the wave before breaking on the steepness of the initial waves t/τ = f(hd/λd) on slopes with different inclinations (blue color indicates the boundary of areas with different types of wave destruction): I - the region of sliding wave breaking; II - the area of the diving destruction of the wave η/hк 0,8 0,7 0,6 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,07 0,1 hd/λd Изображение выглядит как диаграмма Автоматически созданное описание Рис. 3. График зависимости относительной высоты гребня волны от кривизны исходных волн η/hк = f(hd/λd) при изменении заложения откоса берега m от 10 до 30 Figure 3. Graph of the dependence of the relative height of the wave crest on the curvature of the initial waves η/hк = f(hd/λd) when changing the bank slope m from 10 to 30 Таким образом, на относительную высоту гребня волны η/hк, помимо относительной величины hd/λd, заметное влияние оказывает заложение склона, с увеличением которого величина отношения η/hк возрастает. Так как величины отношений t/τ и η/hк получены в створе перед разрушением волны, то их значения соответствуют максимальным значениям исследуемых параметров при фиксированных hd/λd и m = 10-30. Очевидно, что установленное ранее Д.И. Алтуниным [13; 14] для мелководья отличие расчетного и экспериментального профилей гребня волны на уменьшающихся глубинах должно сказаться и на кинематических характеристиках волны, что необходимо проверить в дальнейшем и сопоставить с данными [2; 17] по теории Стокса при близких значениях hd/λd. Заключение Выполненные экспериментальные исследования позволили выявить некоторые закономерности построения профиля волны на мелководье и изменений кинематических характеристик волнового потока. Сопоставление опытных данных с расчетными формулами теории Стокса (3-е приближение) показало, что профиль волны и горизонтальная составляющая орбитальной скорости при прохождении гребня волны удовлетворительно согласуются при относительных глубинах Н/λd > 0,07. В результате модельных исследований выяснено, что для условий мелководья на относительную высоту гребня волны, воздействующей на неукрепленный пляжный откос приурезовой зоны берега крупного водного объекта, наиболее заметное влияние оказывает заложение откоса, с увеличением которого от 10 до 30 величина крутизны волны η/hк может возрасти в 1,2 раза.

About the authors

Olga N. Chernykh

Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev

Author for correspondence.
Email: chon36@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2905-446X
SPIN-code: 7757-7969

Ph.D. Tech. Sciences, Associate Professor of the Department of Hydraulic Structures

49 Timiryazevskaya St, Moscow, 127434, Russian Federation

Alena V. Burlachenko

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University

Email: chtara@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2617-9515
SPIN-code: 3155-2490

Ph.D. Tech. Sciences, Associate Professor of the Department of Hydraulics

64 Leningradskii Prospekt, Moscow, 125319, Russian Federation

References

Supplementary files