Элементы волн в прибрежной зоне

3.3. На поверхности водоема от действия ветра образуется нерегулярное трехмерное (ветровое) волнение.

Средние высоты , период , а также коэффициент распределения K_i, волны в точке расчета на подходе к прибрежному склону определяют по СНиП 2.06.04-82.*

3.4. Ветровое волнение, образованное в пределах глубоководной или мелководной зон, по мере перемещения на убывающих глубинах стабилизируется или перестраивается в нерегулярное двухмерное волнение. Процесс перестроения сопровождается относительным уменьшением высот и длин волн малой обеспеченности при одновременном увеличении высот и длин волн большой обеспеченности.

3.5. Высоты ветровых волн заданной обеспеченности в пределах плавно убывающих глубин 0,5l_гл ³ Н ³ Н _кр прибрежного склона определяют по формуле

.                                                                  (61)

При несложной конфигурации прибрежного склона в зависимости от угла подхода луча волнения K _тр определяют по графику рис. 25, ключ 3, при этом К _р = 1.

Рис. 25. График для определения коэффициентов K _тр и K _l

Величину обобщенного коэффициента K _п в зависимости от заложения прибрежного склона определяют по графику рис. 26, ключ 1.

Рис. 26. График для определения коэффициента K _п

3.6. При волнообразовании в условиях ограниченных глубин среднюю высоту волны  определяют по графику рис. 25, ключ 1 и по формуле

.                                                                      (62)

3.7. Среднюю или заданной обеспеченности длину волны без учета ее крутизны или высоты в условиях глубокой воды  при известном периоде  определяют по формуле

 или .                                                 (63)

3.8. Период и длину двухмерной волны заданной обеспеченности по расчетным элементам в системе определяют с помощью графика (рис. 27).

Рис. 27. Функции распределения периодов и длин волн на глубокой воде

3.9. Среднюю или заданной обеспеченности длину волны с учетом ее высоты в условиях глубокой воды определяют по формуле

,                                                   (64)

где .

3.10. В условиях ограниченной глубины Н _кр £ Н £ 0,5l _i среднюю или заданной обеспеченности длину волны в зависимости от пологости прибрежного склона определяют по графику рис. 28, ключ 2.

Рис 28. График взаимосвязи

a - ; 1 - песчаный склон; 2 - гравийный m = 5-20; 3 - гравийный m = 30-50; б - графики для определения предельных высот волн на заданной глубине и критических глубин H _кр; в - график для определения коэффициента К _m

3.11. Высоту волны заданной обеспеченности к моменту разрушения определяют по графику рис. 28, а, ключ 1.

3.12. Предельно возможную высоту волны h _пр на заданной глубине Н и периоде t _i в зависимости от заложения прибрежного склона определяют по параметру  графика рис. 28, б, ключ 1.

3.13. Критическую глубину Н _кр, на которой начинается разрушение волны заданной обеспеченности на склонах с m ³ 5, определяют с помощью графика рис. 28, б. При этом в зависимости от пологости склона в соответствии с пп. 3.7 и 3.8 определяют высоты волн в трех-четырех точках в месте ожидаемого начала ее разрушения. Полученные результаты накладывают на график рис. 28, б, ключ 2 и осредняют кривой. По точке пересечения этой кривой с кривой, характеризующей пологость склона, определяют величину (ключ 3). С этой величиной входят в график (рис. 28, а, ключ 1) и определяют местное увеличение высоты волны к моменту разрушения h _кр: h _гл. С полученной величиной  входят в график (рис. 28, б, ключ 4) и определяют искомую величину .

3.14. На прибрежных склонах с т > 17 волны открытого водоема по мере перемещения к берегу могут иметь несколько последовательных разрушений (рис. 29). После прекращения первого разрушения появляются новые волны несколько меньшей высоты, которые на некоторой глубине H _кр(2) вновь разрушаются и т.д. Количество и интенсивность последовательных разрушений волн зависят от заложения прибрежного склона на подходе к месту разрушения.

Рис. 29. Общая схема трансформации волн h _т = 302 м,  = 4 с на прибрежном склоне с m = 30, течений, возбуждаемых ветром и волнением, направления перемещения полувзвешенных наносов

1 - направление и величины скоростей ветроволнового и компенсационного течений при ветре W = 20 м/с (фронтальный подход); 2 - то же ветроволнового течения при косом подходе a = 45°; 3 - эпюры скоростей волнового течения в месте начала разрушения волн, рассчитанные по формуле (77); 4 - то же компенсационного течения, по формуле (78); 5 - положение среднего гидростатического уровня при волнении; 6 - траектории полувзвешенных наносов; 7 - траектории орбитального движения жидкости

3.15. Расчет высот волн заданной обеспеченности с начала их первого разрушения на прибрежных склонах выполняется по характеристикам двухмерных нерегулярных волн, эквивалентных исходным трехмерным волнам в условиях глубокой воды.

Высоту эквивалентной волны заданной обеспеченности в условиях глубокой воды определяют с помощью графика (см. рис. 28, б, ключ 4) в соответствии с пп. 3.12 или 3.13 по найденной величине и формуле

                                                                 (65)

3.16. Высоты волн заданной обеспеченности, образованные после прекращения первого и последующих разрушений, определяют по формулам

h _{1(i %)} = K_mh _{гл(i %)}; h _{2(i %)} = K_mh _{(1)гл(i %)} и т. д.                                                      (66)

При постоянном уклоне прибрежного склона

,

где h _{1( i %)}; h _{2( i %)} и т. д. - высоты волн заданной обеспеченности, образованные после прекращения первого, второго и последующих разрушений волн той же обеспеченности; h _{гл(2)( i %)}; h _{гл(3)( i %)} и т. д. - высоты волн заданной обеспеченности, образованные после прекращения первого и последующих разрушений и приведенные с помощью графика (см. рис. 25, ключ 1) и формулы (62) к условиям глубокой воды.

3.17. Величину коэффициента K_m и количество последовательных разрушений определяют с помощью графика (см. рис. 28, в, ключ 1).

3.18. Глубину воды в месте прекращения первого и последующих (за исключением последнего) разрушений волн заданной обеспеченности определяют по формуле

,                                (67)

где n = 1, 2, 3 и т. д. - порядковый номер критических глубин и высот волн заданной обеспеченности; b - коэффициент уклона волновой поверхности в процессе разрушения волн, величину которого определяют по формуле

b = 0,033 m + 0,74.                                                                          (68)

3.19. На прибрежных склонах с m ³ 10 глубину воды под ложбиной в месте начала разрушения волны  определяют по формуле

.                                                                 (69)

3.20. Высоты волн заданной обеспеченности в процессе одного или последнего разрушения на прибрежном склоне определяют по формуле

h_{n (i %)} = h _{кр(n) i %} H / H _{кр(n) i %}.                                                                       (70)

3.21. Средние высоты ветровых волн к моменту первого разрушения ` h _кр имеют обычно 15-20 %-ную обеспеченность.

3.22. Превышение гребня двухмерной волны h _гр над средним гидродинамическим уровнем воды определяется по графику (рис. 30).

Рис 30. График вертикальной асимметрии профиля волны

Для трехмерных волн (на подходе к первому разрушению) полученные величины h _гр/ h могут увеличиваться до 10 %.

3.23. Горизонтальную асимметрию K _l = l_гр / l_л или отношение длины гребня двухмерной волны к длине ложбины по среднему гидродинамическому уровню воды в точке расчета в зависимости от заложения прибрежного склона для волн 15-20 % обеспеченности в первом приближении можно определить по графику (рис. 31, ключ 1).

Рис. 31. График для определения коэффициентов К _l или длин гребня l_гр волн с l_гл: h _гл = 10

3.24. Глубину понижения уровня воды в месте начала разрушения волн определяют по формуле

.                                              (71)

3.25. Высоту подъема уровня или волнового нагона (см. рис. 29) над гидродинамическим уровнем воды при одном разрушении волн на склонах m £ 17 определяют по формуле

,                                                                          (72)

где  - коэффициент, зависящий от заложения прибрежного склона, величину которого определяют по графику (рис. 32, ключ 1), для ветровых воли h _кр принимают 15 % обеспеченности.

Рис. 32. График для определения коэффициентов  и

При многократном разрушении волн высоту подъема уровня после каждого последующего разрушения определяют по формуле

 и т. д.                                                        (73)

3.26. Высоту волны на урезе воды h _у по среднему ветроволновому нагонному уровню определяют по графику (рис. 33, ключ 1).

Рис. 33. График для определения высот волн на урезе с учетом нагонного уровня воды

3.27. Высоту наката волн над суммарным ветроволновым нагоном на склонах m ³ 5 определяют по формуле

,                                                   (74)

где K _ш - определяют по СНиП 2.06.04-82*;   - коэффициент, зависящий от пологости склона, величину которого определяют по графику (см. рис. 32, ключ 2).

Пример расчета элементов ветровых волн

3.28. Требуется рассчитать трансформацию элементов ветровых волн 1 %- и 15 %-ной обеспеченности при угле подхода главного луча a = 30° к относительно прямолинейному прибрежному склону с m = 30. Расчетная скорость ветра w = 25 м/с, средняя глубина воды H = 12 м, конфигурация берегов водоема сложная (рис. 34).

Рис. 34. График изменения высот волн 1 и 15 % обеспеченности по примерам расчета и построения расчетной схемы волнения

Из точки расчета D₀ (рис. 34) проводят главный и вспомогательные лучи, с помощью которых по СНиП 2.06.04-82* определяют ` h = 1,41 м и `t = 4,4б с. По рис. 1, Прил. 1 убеждаемся, что при Н = 0,0615 средняя высота волны ` h = ` h _гл. Там же по графику (рис. 2) определяют или h _1% = 1,41 × 2,2 = 3,1 м.

Высоты волн на относительно прямолинейном склоне в точках расчета с глубинами H = 7,5; 5 и 2,5 м определяют по формуле (61). Для первой точки H = 7,5 м находят отношение  и с графика (рис. 25, ключ 3) снимают K _тр = 0,95 и (см. рис. 26, ключ 1) K_п = 0,99, при этом K _р = 1. Подставляя найденные величины в формулу (61), получаем h _1% = 0,95 × 0,99 × 3,1 = 2,9 м. Аналогично на глубинах H = 5 м h _1% = 2,52 м; H = 2,5 м h _1% = 2,14 м.

Критическую высоту и глубину к моменту первого разрушения ветровых волн определяют с помощью построения кривой трансформации высот волн на графике (см. рис. 28). Для этого на график наносят точки с абсциссами ,  и  и соответствующими ординатами ,  и  (см. рис. 28, ключ 2). По точкам проводят осредняющую кривую. Абсцисса Н _кр:  = 0,015 и ордината  точки, образованной пересечением построенной и характеризующей пологость склона кривых, позволяют получить ожидаемые величины Н _кр(1) = 2,94 м и h _кр(1) = 2,23 м.

Высоту двухмерной волны эквивалентной исходной трехмерной определяют по графику рис. 25 абсциссой  (ключ 3) через коэффициент трансформации и отношение h _1%гл = 2,23: 0,9=2,48 м. По графику рис. 28, ключ 4 определяется первая критическая глубина Н _кр(1) = 9,81 × 19,8 × 0,018 = 3,5 м. Глубина воды под ложбиной по формуле (69)  = 0,8 × 3,5 = 2,8 м.

Высоту волны, образованной после прекращения первого разрушения, определяют по формуле (66) или h _1%(1) = K_mh _гл = 0,43 × 2,48= =1,07 м, где K_m определяют по графику (рис. 28, в, ключ 1).

Глубину воды в месте прекращения первого разрушения определяют по формуле (67), подставляя в нее величины K_m = 0,43 и b = 0,033 × 30 + 0,74 = 1,74.

Высоты волн к моменту разрушения при  или l: h _гл = 29,6 определяют по графику (см. рис. 28, ключ /) h _кр(2) = h _кp: h _гл = 1,18 или h _кр(2) = 1,07 × 1,18 = 1,26 м.

Глубину воды, на которой начинается второе разрушение волны ординатой  = l,26: 9,81 × 4,46² = 0,00632, определяют через абсциссу H _кр:  = 0,0082 или H _кр = 0,0082 × 9,81 × 4,462 = 1,62 м по графику рис. 28, ключ 4.

Высоты волн в процессе последнего разрушения на склоне определяют по формуле (70) , по которой на глубине H = 1,5 м -  = l,16 м; Н = 1 -  = 0,77 и и //=0,5- h =0,39 м. Результаты выполненных расчетов представлены на графике (см. рис. 34).

Аналогичные расчеты могут быть выполнены и для волн другой обеспеченности по их высотам и длинам. Расчет для волны 15 %-ной обеспеченности представлен на рис. 34.

Течения в водоемах

3.29. Водоемам, в отличие от водотоков, свойственно многообразие течений не стационарных во времени, по направлению, глубине и величинам скоростей.

3.30. Течения в водоеме можно классифицировать по двум признакам - по происхождению и по действующим силам.

Течения по происхождению подразделяют на первичные и вторичные. К первичным, или исходным, относят обычно ветроволновое, транзитное, стоковое и плотностное течения. Величины скоростей и наносотранспортирующая способность транзитного, стокового и плотностного течений обычно незначительны.

3.31. Основным исходным или первичным является ветроволновое течение. Его интенсивность, зона действия на глубинах H ³ H _кр определяются скоростью ветра и элементами волн, а также их углом подхода к прибрежному склону избранного участка водоема.

3.32. При фронтальном подходе ветра и волн к относительно прямолинейному прибрежному склону в поверхностных слоях воды наблюдается ветроволновое, а при донных - компенсационное течение обратного направления (см. рис. 29). При этом ветроволновое течение обычно находится на глубинах Н £ 0,2 `l, а компенсационное .

3.33. Скорость ветроволнового течения на поверхности воды при ветре w £ 20 м/с можно определить по формуле

u = 0,02 w.                                                                                     (75)

3.34. Распределение скоростей ветроволнового и компенсационного течений на избранной вертикали с глубинами H ³ H _кр рекомендуется рассчитывать по методике А. В. Караушева (см. рис. 29).

Переход поверхностных слоев воды в придонные или ветроволнового течения в компенсационное происходит преимущественно в прибойных зонах.

3.35. На подходе к месту разрушения волн скорости ветроволнового и компенсационного течений увеличиваются. К моменту разрушения волн скорость ветроволнового течения в поверхностном слое u, м/с, приближается или равна скорости их перемещения, величину которой можно определить по формуле

.                                                                        (76)

3.36. Распределение скоростей волнового течения по глубине в месте начала разрушения волн, подходящих по нормали к берегу, при прохождении их гребней можно определить по формуле

,                                                                      (77)

где h = z /(H _кр + h _кр);

z - глубина воды, отсчитываемая от поверхности склона.

3.37. При прохождении ложбин волн в месте началаих разрушения прослеживается компенсационное течение, распределение скоростей которого можно определить по формуле

,                                                    (78)

где .

Величины и распределение скоростей волнового и компенсационного течений по заданным элементам волн на подходе к месту начала их разрушения приведены на рис. 29.

3.38. В зонах разрушения волн или в прибойных зонах орбитальное движение частиц жидкости отсутствует. При прохождении гребней воли массы воды на всю глубину волновым течением смещаются в сторону луча волнения, а при прохождении ложбин - компенсационным течением смещаются в обратном направлении.

3.39. На пологих прибрежных склонах m ³ 17 после прекращения первого и последующих разрушений волн восстанавливается орбитальное перемещение частиц воды, ветроволное и компенсационное течения.

3.40. Величину орбитальной придонной скорости на прибрежном склоне в зоне действия неразрушающихся волн определяют по формуле

,                                                                   (79),

где n - коэффициент, принимаемый в зависимости от относительной пологости волн на табл. 8.

Таблица 8

	8	10	15	20
n	0,6	0,7	0,75	0,8

С учетом пологости прибрежного склона и критических глубин величину придонной орбитальной скорости можно определить по графику (рис. 35).

Рис. 35. График для расчета придонных орбитальных скоростей волн l_гл: h _гл = 10

3.41. В большинстве случаев волны открытого водоема подходят под косым углом к избранному участку берега или прибрежного склона. В этих случаях вследствие отсутствия или слабого проявления волнового нагона компенсационные течения на подходе к прибойным зонам обычно не прослеживаются. Пример расчета величин этих скоростей см. на рис. 29.

3.42. В прибойных зонах наряду с волновыми и компенсационными появляются вдольбереговые течения. Вдольбереговое течение - это смещение масс воды прибойной зоны вдоль берега. Оно возбуждается и поддерживается энергией разрушающихся волн или масс воды, транспортируемых ветроволновым течением и сбрасываемых разрушающимися гребнями в прибойные зоны.

Величину средней скорости вдольберегового течения при одном разрушении волн определяют по формуле

,                                                          (80)

где S _в - обобщенный коэффициент, величину которого определяют по графику (рис. 36).

Рис. 36. График изменения коэффициента S _в

3.43. При многократном разрушении волн средняя скорость вдольберегового течения в пределах каждой последующей прибойной зоны определяют по формуле

,                                                (81)

где  - высоты волн 15 % обеспеченности к моменту данного разрушения и образованных после его прекращения;

a _n - угол, образованный между лучом волнения и нормалью к склону к моменту разрушения.

3.44. Средняя скорость вдольберегового течения между первой и второй, второй и третьей и последующими прибойными зонами определяется по формуле

,                                                               (82)

где u _n и u _{n -1} - средние скорости вдольберегового течения в пределах предыдущей и последующей прибойной зоны.

3.45. Ветроволновые течения как при фронтальном, так и при косом подходе волн, транспортируют в прибойные зоны массы воды с повышенным содержанием планктона, отмершей растительности, мусора.

3.46. В пределах прибойных зон вследствие резкого увеличения скоростей течений, ослабления водообмена с открытой акваторией водоема и повышенной аэрации вода дополнительно переохлаждается и увеличивает плотность или мутность за счет частиц грунта, слагающих поверхность прибрежного склона.

3.47. Повышенная плотность воды способствует появлению в придонном слое плотностного течения, которое при фронтальном подходе волн совпадает по направлению с компенсационным, усиливает последнее, образуя смешанное течение.

3.48. В местах резкого изгиба берега или прибрежного склона вдольбереговое течение за счет инерционных сил и повышенной плотности транспортируемых масс воды может выходить из пределов прибойных зон в открытый водоем (рис. 37, а, в).

Рис. 37. Схемы возможных картин течений в прибрежной зоне водоема

1 - направление луча волнения; 2 - вдольбереговое течение; 3 - инерционное течение; 4 - плотностное течение; 5 - градиентное течение; 6 - берег; 7 -изобаты

3.49. Направление течения, вышедшего из зоны действия возбуждающих сил, названного инерционным, зависит от топографических особенностей и глубин воды на подходе к избранному участку водоема, плотности и исходных скоростей течения, интенсивности, направления волнения и других факторов.

3.50. По мере увеличения глубин воды и уменьшения скорости инерционного течения преобладающее влияние на его перемещение оказывает плотность транспортируемых масс воды. Инерционное течение преобразуется в плотностное, скорость и направление которого определяются топографией водоема, плотностью потока и другими факторами.

3.51. В бухтах, заливах и в местах расположения инженерных сооружений, выступающих в водоем, наряду с описанными разновидностями течений появляется градиентное течение (см. рис. 37, б, г).Оно возникает от перепада давления или уровня воды между прибойной зоной и открытым водоемом. Этот перепад создается за счет скоростного напора вдольберегового течения и волнового нагона.

3.52. Направление перемещения и скорость градиентного течения зависят от топографии прибрежного склона избранного участка водоема, скоростей и плотности масс воды, транспортируемых вдольбереговыми течениями, интенсивности и направления волнения и других факторов. При симметричном контуре прибрежных склонов и подходе луча волн градиентное течение обычно направлено в открытый водоем вдоль оси бухты или залива. При других условиях оно может занимать любое плановое положение.

3.53. После выхода из пределов прибойной зоны или действия возбуждающих сил градиентное течение, как и вдольбереговое, преобразуется в инерционное, а затем в плотностное.

3.54. В зонах действия сосредоточенных течений, выходящих из пределов прибойных зон, независимо от глубины водоема будет нарушаться температурная стратификация воды; в придонных слоях может наблюдаться повышенное содержание планктона, водной растительности, взвеси, интенсивная аккумуляция наносов, а в предледоставные периоды - местное переохлаждение воды и образование донного шугольда.