Автор статьи: профессор Сочинского государственного университета Константин Николаевич Макаров
В последние десятилетия все большее распространение в практике искусственного пляжеобразования находят пляжи бухтового очертания с искусственными мысами под защитой волноломов – рис. 1, 2.
На рис. 1 видно, что в одной из бухт произошел размыв пляжа до волнозащитной стены, что угрожает ее разрушением.
На рис 2 показаны дополнительные волноломы, построенные для предотвращения размыва пляжа в средней части бухт.
Указанные обстоятельства свидетельствуют о том, что параметры искусственных мысов и расстояние между ними при проектировании были определены недостаточно достоверно.
Таким образом, при проектировании бухтовых пляжей возникают следующие задачи:
- Определение расстояния от коренного берега (волнозащитной стены) до волнолома l и длины волнолома b, при которых из естественного вдольберегового потока наносов или из искусственной отсыпки формируется искусственный мыс, соединенный с волноломом (томболо), под действием заданного волнового режима.
- Определение расстояния между мысами S, при котором между ними формируются устойчивые пляжи заданной ширины, обеспечивающие защиту берега и рекреационные цели.
Таким образом, определение параметров систем искусственных мысов с волноломами для галечных пляжей представляется актуальной задачей.
Современные теоретические представления о динамике пляжей под защитой волноломов заключаются в следующем. При наличии волнолома между ним и берегом возникает волновая тень. Фактически это означает, что линия обрушения волн придвигается к берегу и снижается транспортирующая способность водного потока. В результате меняется естественный режим транспорта наносов, и за волноломом возникают аккумулятивные формы (наволок, томболо).
Степень блокировки берега от волн зависит от угла видимости волнолома со стороны берега. В качестве основного параметра, характеризующего степень блокировки, в первом приближении принимается относительное расстояние от берега до волнолома b/l. Тогда угол видимости определится из выражения: a =53°×b/l. По результатам исследований, проведенных в Черноморском отделении морских берегозащитных сооружений ВНИИ Транспортного строительства, на гидравлических моделях установлено, что для полного пропуска вдольберегового потока наносов необходимо выполнение соотношения a меньше либо равно 14°, а наибольшая их аккумуляция за волноломом происходит при a больше либо равно 53°, то есть b больше либо равно l.
Волноломы на галечных берегах рекомендуется располагать на расстоянии l=20hcr, где hcr – высота расчетной волны 5% обеспеченности по линии последнего обрушения. С другой стороны, волноломы на галечных берегах часто устраивают между головными частями бун, то есть на линии последнего обрушения расчетных волн. Тогда l = dcr/i, где dcr – глубина обрушения волн, i – уклон подводной части пляжа. Размеры акваторий, замкнутых волноломами с траверсами, рекомендуется принимать равными S = 1.5 – 2.0 l.
Для оценки параметров b, l, S было выполнено математическое моделирование формирования искусственных мысов из галечного пляжеобразующего материала и динамики пляжа в акваториях между мысами.
Основой для моделирования деформаций дна и берега (пляжа) является фундаментальное уравнение сохранения массы вещества:
где d - глубина; t - время; n - коэффициент пористости грунта; x, y - оси координат; Qм - расход наносов.
Использование приведенного уравнения требует знания составляющих расхода наносов отдельно в поперечном к берегу и продольном направлениях.
Однако, иногда бывает приемлемым определение выдвижения или отступания береговой линии по упрощенной методике, решая только одномерное уравнение. При этом принимается, что уклон берегового склона (пляжа) быстро адаптируется к параметрам штормового волнения и в дальнейшем остается неизменным во времени на данном участке берега и, таким образом, берег смещается в сторону моря (аккумуляция) или в сторону суши (размыв) параллельно самому себе. Такие деформации описываются простым уравнением:
где A - площадь поперечного сечения берегового склона, Qм - вдольбереговой расход наносов, t - время, X - расстояние вдоль берега.
Для расчетов динамики береговой линии уравнение (2) преобразуется к виду:
Учитывая, что DA = dcr DY , где DY – изменение положения береговой линии, получим окончательно для изменения ширины надводного пляжа, то есть для динамики береговой линии:
где Кг - калибровочный коэффициент, учитывающий изменение профиля пляжа в процессе шторма, неточности в определении величины расхода наносов, редукцию расхода наносов за счет не полной величины фронта их переноса и другие погрешности математической модели. Этот коэффициент подлежит определению по лабораторным или натурным измерениям. В случае отсутствия таких данных, коэффициент Кг принимается равным Кг = 1.
Для галечных наносов (диаметр больше либо равен 2 мм) емкость вдольберегового потока наносов определяется из выражения:
где: hсr1% - высота волны 1% обеспеченности в системе по линии последнего обрушения, м; Создать карусель Добавьте описание - средний период волн, с; d50% - медианный диаметр пляжеобразующего материала, м; rn - объемный вес наносов; r - объемный вес воды; acr - угол подхода волн к линии последнего обрушения; Dt - время действия данного волнения, сут; koк - коэффициент, учитывающий влияние степени окатанности пляжевого материала на интенсивность его перемещения.
В модели, которая использована в данной работе, для оценки снижения расхода наносов за волноломом рассчитывается дифракция волн за ним и соответствующее уменьшение высот волн.
Модель динамики пляжа была откалибрована по данным гидравлического моделирования.
Примеры расчета дифракции волн за волноломом при различных углах подхода волн и при соотношении b=l приведены на рис. 3.
Из рис. 3 следует, что при косом подходе волн к берегу, волновая тень смещается относительно волнолома и, следовательно, также должен смещаться образующийся искусственный мыс.
В модельных расчетах принимались следующие элементы волн: высота hcr = 3.0 м, длина λ = 60 м, средний период Т = 10 с, глубина обрушения
dcr = 3.6 м, средний диаметр наносов 50 =30 мм, угол подхода волн acr = 120.
Вначале было выполнено моделирование формирования одиночного мыса за волноломом из исходной отсыпки в виде ленточного отвала галечного пляжеобразующего материала шириной 30 м. Начальные параметры задавались следующими: l = 20hcr = 60 м, b = l. Расчет велся до достижения наволоком (томболо) стационарного состояния. Результаты моделирования приведены на рис. 4.
Как видно из рис. 4, при заданных значениях l и b формируется наволок, однако он не соединяется с волноломом и искусственный мыс не образуется. Поэтому в дальнейшем выполнялось моделирование с увеличением длины волнолома на 5 м, т.е. на 0.08 b. В результате моделирования установлено, что искусственный мыс примыкает к волнолому при b = 75 м, то есть при b = 1.25l – рис. 5.
Далее было выполнено моделирование для определения расстояния S, при котором ширина пляжа в акватории между искусственными мысами уменьшается не более, чем в 2 раза по сравнению с шириной исходной отсыпки. Вначале расстояние между мысами задавалось равным S = 2l = 120 м. Длина волноломов b = 75 м. Результаты расчета приведены на рис. 6.
Из рис. 6 видно, что при заданных параметрах системы волноломов, пляжи в бухтах размываются до ширины 12 м, то есть их ширина сокращается более, чем в 2 раза по сравнению с шириной исходной отсыпки.
При дальнейшем моделировании ширина бухт (расстояние между волноломами) сокращалась с шагом 5 м. Приемлемые результаты получены при ширине бухт S = 110 м, то есть при S = 1.83l – рис. 7.
S = 1.83l = 110 м
По результатам выполненного математического моделирования формирования искусственных мысов и бухтовых пляжей из галечного пляжеобразующего материала могут быть сделаны следующие выводы:
- Волноломы для формирования искусственных мысов на галечных берегах рекомендуется располагать на расстоянии от коренного берега или от волнозащитной стены l=20hcr, где hcr – высота расчетной волны 5% обеспеченности по линии последнего обрушения.
- Искусственные мысы, примыкающие к волноломам (томболо), формируются при длине волноломов b ≥ 1.25l.
- Галечные пляжи в бухтах между искусственными мысами являются динамически устойчивыми при расстоянии между мысами S ≤ 1.8l.
Предложенные соотношения могут использоваться для предварительного назначения параметров систем искусственных мысов с бухтами между ними на галечных берегах, с дальнейшим уточнением этих параметров методами математического или гидравлического моделирования.
В настоящее время такой метод создания искусственных пляжей включен в сод правил по проектированию берегозащитных сооружений.
Создание галечных пляжей в виде искусственных мысов под защитой волноломов представляется перспективным для еще не освоенных участков берегов с галечными наносами.