книги из ГПНТБ / Смирнов Г.Н. Океанология (в инженерном изложении) учебник

0Зеркальногладкая поверхность

1Рябь, появляются небольшие гребни волн

2Небольшие гребни волн начинают опрокидываться, но пена не бе­

лая, а стекловидная

3Хорошо заметные, небольшие волны; гребни некоторых из них опрокидываются, образуя местами белую клубящуюся пену — барашки

4Волны принимают хорошо выраженную форму; повсюду обра­

зуются барашки 5 Появляются гребни большой высоты, их пенящиеся вершины за­

нимают большие площади, ветер начинает срывать пену с греб­ ней волн

6Гребни очерчивают длинные валы ветровых волн; пена, срываемая

сгребней ветром, начинает вытягиваться полосами по склонам

волн 7 Длинные полосы пены, срываемой ветром, покрывают склоны волн

и местами, сливаясь, достигают их подошв

8Пена широкими плотными сливающимися полосами покрывает склоны волн, отчего поверхность становится белой, только ме­ стами, во впадинах волн, видны свободные от пены участки

9Поверхность моря покрыта плотным слоем пены, воздух напол­ нен водяной пылью и брызгами, видимость значительно умень­ шена

расположенный на глубине 11,0 м, по оценке наблюдателей имели длину 120 м, что дает на глубокой воде Агл~230 м.

Одной из важнейших характеристик волн, влияющих сущест­ венным образом на характер трансформации волн на мелководье, является крутизна волн на глубокой воде. При этом следует раз-

160

личать развивающееся и установившееся ветровое волнение и вол­ ны зыби. Средняя крутизна ветровых волн на глубокой воде со­ ставляет 1/15—1/18.

Так, по данным наблюдений, обобщенным Английской нацио­ нальной лабораторией, волны с высотой /г= 8,0 м имеют характер­ ную крутизну /г/Я=0,08—0,05 (1/12,5—1/19,5); волны с высотой h — = 11,0—19,0 м — /г/А,= 0,1—0,05 (1/10—1/20), но в отдельных случа­ ях наблюдались волны с крутизной АД= 1/28—1/36.

Волны с меньшей крутизной, по-видимому, относятся к волнам зыби. Крутизна волн старой зыби может быть неограниченно ма­ лой: наблюдались волны крутизной 0,001.

В настоящее время как на глубокой воде, так и на мелководье элементы волн фиксируются с помощью разнообразной измеритель­ ной аппаратуры, что позволяет получить достаточно точные дан­ ные о величине параметров волн и их повторяемости. Однако на практике еще довольно часто пользуются -оценкой волнения в бал­ лах. При этом определяют по десятибальной шкале степень волне­ ния (табл. ІѴ-9) и состояние поверхности моря (табл. IV-10).

При наблюдении за волнением необходимы параллельные на­ блюдения за ветром. При отсутствии соответствующей измеритель-

Рис. ІѴ-42. Дифракция волн у препятствия:

а ) модель гавани без мола; б) модель гавани с молом (но Стоккеру)

ной аппаратуры можно воспользоваться табл. IV-11, где приводятся признаки для определения силы ветра в баллах и соответствующая скорость ветра.

§9. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ

СГИДРОТЕХНИЧЕСКИМИ СООРУЖЕНИЯМИ

Распространяющиеся на поверхности -моря волны при подходе к препятствиям, например, в виде молов или волноломов, меняют свое направление, огибая при этом препятствие и уменьшаясь по высоте (рис. ІѴ-42, а и б). В результате этого за препятствием соз­ дается волновая тень. Граница тени оказывается размытой и чем дальше от препятствия тем больше. € увеличением длины препят­ ствия, размер тени возрастает. При переходе через границу тени амплитуда волн меняется по сложному закону вследствие интерфе­ ренции огибающих препятствие волн. Нарушения прямолинейности распространения волн вблизи препятствий и сопровождающие его явления интерференции называют дифракцией волн. В практике портостроеиия обычно под дифракцией понимают только огибание волнами препятствия. Следует отметить, что с подветренной сторо­ ны препятствия дифрагированные волны движутся вдоль препят­ ствия (рис. ІѴ-43) и оказывают на последние давление как про­ грессивные волны. Дифракция волн оказывает решающее влияние на волнение внутри акваторий портов.

162

Вопросам дифракции волн оградительными со­ оружениями посвящено большое количество как теоретических, так и экс­ периментальных работ отечественных и зарубеж­ ных исследователей. Впервые задача о ди­ фракции волн на поверх­ ности тяжелой несжимае­ мой жидкости была в строго математической постановке решена Л. А. Бойко.

В более простом ви­ де решение дано проф.

Ю. М. Крыловым [35], рассмотревшим задачу о дифракции волн около щели в плоском экране и дифракцию волн около полубесконечного прямолинейного экрана. Решение последней задачи дове­ дено до стадии, дающей возможность практически использовать полученные результаты.

В основу теоретических решений Крылова положена аналогия дифракции волн на поверхности жидкости с явлениями дифракции световых, звуковых и электромагнитных волн. При этом обнаружи­ вается чисто формальная аналогия явлений, хотя физические про­ цессы совершенно различны. И поэтому имеются значительные рас­ хождения между результатами теоретических расчетов и опытны­ ми данными. Более близкое совпадение с опытными данными получается при расчетах по приближенным решениям.

Используя методы теории вероятностей, И. А. Степанов [60] по­ строил расчетный график распределения относительных высот волн на акватории, огражденной одиночным молом. Коэффициент ди­ фракции А'д, равный отношению высоты волны в данной точке к высоте исходной волны, для подветренной стороны мола, представ­ ляющий с точки зрения расчета устойчивости мола особый интерес, определяется по формуле

— табулированный интеграл

В соответствии с формулой (ІѴ-119), при х = 0, т. е. на про­ должении волнового луча при фронтальном подходе волны Хд=0,7.

Аналогичные результаты получены проф. А. М. Жуковдом при лабораторном иссле­ довании гашения волн за мо­ делями одиночного мола, вы­ полненного в виде непроницае­ мого тонкого экрана. При этом коэффициенты дифракции ре­ комендуется определять по но­ мограмме (рис. ІѴ-44), пост­ роенной для случая фронталь­ ного подхода к препятствию монохроматической волны. Для этого надо вычислить безраз­ мерное расстояние гГк от точ­

ки О (головы мола) до расчетной точки Р, затем из точки О под углом ф к оси мола провести прямую и на ней отложить указанное расстояние. Полученная на номограмме точка определяет значение коэффициента дифракции.

Для вычисления коэффициентов дифракции при косом подходе волн номограмму следует повернуть до совмещения линии 0 0 ' с направлением набегающих волн. В соответствии с этой номограм­ мой на продолжении волнового луча значения коэффициента диф­ ракции составляют 0,67—0,70.

Во всех перечисленных выше исследованиях рассматривался простейший частный случай дифракции волн тонким непроницае­ мым полубесконечным волноломом. Однако полученные результа­ ты могут быть использованы также и для определения высоты вол­ ны на акватории порта в случае реальных сооружений *.

Препятствия, расположенные на пути распространения волн, изменяют не только направление распространения волн, но и ха­ рактер волнения: наблюдается отражение волн от препятствия, разрушение их у препятствия, всплески и проч. В свою очередь и волны оказывают на препятствия, в том числе и на гидротехниче­ ские сооружения, различные воздействия: волновое давление на сооружения, размыв основания сооружений и др.

Характер взаимодействия волнения с сооружением зависит от параметров волнения, глубины воды и конструкции сооружений. В морском гидротехническом строительстве наиболее часто соору­ жения, подверженные воздействию морских волн, выполняют в ви­ де вертикальной стенки, расположенной на откосе дна или на ис­ кусственном основании из каменной наброски, наклонной стенки,

* Более подробно этот вопрос рассматривается в [18].

164

наброски из камней или бетонных блоков и в виде сквозной конст­ рукции, т. е. сооружений на свайном основании.

При рассмотрении взаимодействия волн с вертикальной стенкой следует различать четыре отличные друг от друга т и п а в о л н е н и я : стоячие вол­ ны, разбитые волны, волны переходно­ го типа от стоячих к разбитым волнам и прибойные волны.

Основными факторами, определяю­ щими изменение характера волнения перед стенкой, стоящей на каменной призме, т. е. переход от стоячих волн к волнам переходного типа и затем к разбитым волнам являются: высота h, длина X и крутизна волны h/X, глубина над бермой постели или над поверхно­ стью берменных (защитных) масси­ вов Нб, ширина бермы В и величина откоса каменной призмы і.

Каждый из указанных типов волне­ ния имеет место при строго определен­ ных соотношениях этих факторов.

Если волны подходят к сооружению фронтально без предварительного раз­ рушения, то при достаточно большой глубине у стенки вследствие интерфе­ ренции прямой и отраженной волны об­ разуется стоячая волна. При этом вы­

прохождения гребня или впадины характеризуются кривыми, сим­

т. е. наивысшему и наинизшему положениям волновой поверхности у стенки (рис. ІѴ-45, а).

Вид кривых изменения давления непосредственно связан с ха­ рактером движения частиц волнующейся жидкости и может слу­ жить критерием для установления границ существования того или

165

может быть легко определена в зависимости от крутизны волны h/k (рис. ІѴ-46). Область, расположенная выше кривой ЯперД = =f(h/k), соответствует режиму стоячих волн, ниже кривой — пере­ ходному режиму. Глубина перехода Япер во всех случаях является близкой к двухкратной высоте волны, Ялер= (2—2,5)Я.

Физика явления и характер воздействия волн на сооружение в зоне переходного режима отличаются от таковых в зоне стоячих волн. Поэтому целесообразно выделить зону переходного режима в особую область взаимодействия волн со стенкой. При переходном типе волнения положение узлов и пучностей не остается постоян­ ным. Происходит ощутимое их горизонтальное перемещение отно­ сительно некоторого среднего положения, в то время как при стоя­ чих волнах этого практически не наблюдается. Изменяется также и характер движения частиц волнующейся жидкости. Радиус кри­ визны траекторий колебательного движения частиц по мере умень­ шения глубины над бермой увеличивается, вследствие чего гори­ зонтальные составляющие скорости возрастают. Ввиду этого высота вкатывания волны на стенку значительно больше, чем при стоя­ чих волнах, а скорость при этом больше чем при спаде; толщина слоя жидкости по мере продвижения вверх по стенке уменьшается. Такое явление наблюдается до глубины над бермой //о = 1,25 /г.

При дальнейшем уменьшении глубины Нг, гребни волн в пучно­ стях поднимаются выше и вершины их все более заостряются, воз­ действие волны на стенку сопровождается всплесками нарастающей интенсивности, местным разрушением гребня волны и отрывом масс воды при наивысшем подъеме. Наконец, при глубине над бермой Яб = 0,7Тг происходит полное разбивание волны на стенке, когда наступающий фронт волны становится вертикальным в момент его встречи с лицевой гранью стенки. Происходит удар разбитых волн о стенку.

166

тельной глубины, а так­ же крутизны переднего откоса, ширины бермы, высоты искусствен­

ного основания, его проницаемости и шероховатости. Однако даже при постоянных условиях характер разбивания двух последователь­ ных волн не остается одинаковым, что, по-видимому, объясняется изменчивостью условий формирования разбитой волны.

Наиболее характерное образование разбитой волны перед соору­ жением с вертикальной гранью происходит следующим образом. При взаимодействии волны со стенкой в первой от стенки пучности гребень волны резко поднимается вверх на высоту до 2h над спо­ койным уровнем и приобретает заостренную вершину, в которой вектор скорости частиц жидкости имеет направление, близкое к вертикальному. При опускании гребня вниз при весьма малом го­ ризонтальном перемещении его вершины происходит переформиро­ вание переднего склона гребня (ближайшего к стенке); здесь обра­ зуется излом поверхности, перерастающий в гребень, который и образует наступающий фронт разбитой волны (рис. ІѴ-47, а). Такой характер формирования разбитой волны наблюдается при крутых волнах и четко проявляется при глубине //g —0,7/ц узких бермах

167

(B — h) (рис. IV-47, а) и крутых уклонах переднего откоса основа­ ния (i= L: 2—1 : 3). Если при тех же значениях Я б и В, но при бо­ лее пологих уклонах откоса основания к сооружению подходят длинные пологие волны (h/X= 1/20), то резкого подъема гребня вол­ ны в первой от стенки пучности не наблюдается и переформирова­ ние переднего склона гребня происходит одновременно с переме­ щением его вершины, высота которой при этом уменьшается, а ско­ рость перемещения замедляется (рис. ІѴ-47, б).

Таким образом, формирование разбитой волны перед стенкой, стоящей на каменной призме, существенно отличается от ее форми­ рования на пляже, где сооружение отсутствует, а трансформация волны происходит постепенно, на большем участке пути.

При постоянных значениях ширины бермы и откоса основания характер волнения и величина волнового давления зависят от глу­ бины воды над бермой Я а, крутизны волны h/K и относительной глу­ бины воды ЯД.

Во всех случаях в области стоячих волн с уменьшением глубины над бермой суммарное давление на мол как со стороны моря, так и со стороны гавани уменьшается; при больших глубинах и длин­ ных волнах давление со стороны гавани может превысить давление со стороны моря.

При переходном типе волнения (Я<2/г) симметричность кривых давления, как уже говорилось выше, нарушается (рис. ІѴ-47, б, поз. 4), причем сначала в точках, расположенных выше спокойного уровня, а затем по всей высоте вертикальной стенки. Максимумы давления в этом случае становятся неравными по величине. Первый максимум с уменьшением глубины над бермой увеличивается, а второй уменьшается. Избыточное волновое давление со стороны гавани при этом снижается. В соответствии с характером изменения давления во времени для этого типа волн равнодействующая дав­ ления и опрокидывающий момент со стороны моря всегда оказы­ ваются большими, чем со стороны гавани, и эта разница становится тем значительнее, чем меньше глубина перед стенкой.

Максимальное давление со стороны моря при уменьшении глу­ бины от H$ = 2h до Яб=1,4й уменьшается (на 5—10%). При глуби­ не Яб= 1,25/г давление снова принимает прежнее значение (рис. ІѴ-48). Это уменьшение давления объясняется тем, что возросшие высота и скорость вкатывания волны на стенку не компенсируют уменьшившегося объема жидкости, непосредственно воздействующе­ го на сооружение. При дальнейшем незначительном уменьшении глубины (Яб< 1,25/г) величина давления начинает интенсивно воз­ растать, достигая максимума при разбивании волн непосредствен­ но на сооружении, т. е. при Нб = 0,7h.

Интенсивное увеличение нагрузок начинается с того момента, когда при воздействии волны на стенку начинают наблюдаться час­ тичное разрушение гребня и всплески воды.

Если природа и внутренний механизм колебательной волны до­ статочно хорошо известны и существуют гидромеханические реше­ ния, дающие результаты, близко совпадающие с величинами, изме-

168

ренными в естественных условиях, то характер взаимодействия волн с сооружением при малой глубине его заложения остается еще со­ вершенно неисследованным: имеется лишь сравнительно небольшое число наблюдений в натуре, ряд эмпирических формул, отдельные экспериментальные работы и единичные попытки математического анализа. Однако такое положение вещей отнюдь не говорит о том, что эдот случай менее опасен или реже встречается в реальных ус­ ловиях, чем колебательные волны. Наоборот, большинство огради­ тельных сооружений либо полностью, либо частично находятся именно в таких условиях. Объясняется это скорее сложностью са­ мого явления и слабой разработкой соответствующей области ма­ тематической физики.

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к изуче­ нию разбитых и прибойных волн и их воздействия на сооружения как с точки зрения физической сущности явления, так и с точки зрения возникающих при этом нагрузок на сооружение. Относитель­ но природы возникающих давлений от разбитых и тем более при­ бойных волн не существует определенной точки зрения и не пред­ ложено общепризнанной физической схемы явления.

Одной из наиболее перспективных гипотез является гипотеза Бэгнольда. При разрушении волны непосредственно перед верти­ кальной стенкой наклонившийся вперед гребень волны касается стенки и между стенкой и передним склоном волны оказывается защемленным некоторый объем воздуха. Поскольку скорости час­ тиц воды в этом случае направлены, примерно, горизонтально, то происходит сжатие воздуха натекающей жидкостью без заметного его перемещения по высоте стенки (рис. ІѴ-49). При определенном давлении внутри объема воздуха происходит его прорыв у стенки наружу и жидкость приходит в соприкосновение со стенкой, вызы­ вая повышенное давление. Однако оказываемое жидкостью давле­ ние на твердую стенку в присутствии воздуха, как доказывает Бэг-

169