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

нольд, будет всегда меньше давления, развивающегося при гидравлическом ударе.

Если волна разрушается раньше стенки, то объем захваченного воздуха увеличивается, причем, благодаря ско­ рости частиц жидкости, направленной под углом сверху вниз, воздушный пу­ зырь перемещается сначала к низу стенки, а затем по дну в сторону моря, где и всплывает на поверхность воды. Давление, оказываемое при зтом на стенку, значительно меньше, чем в слу­ чае непосредственного разбивания вол­ ны о стенку.

Косвенным подтверждением гипо­ тезы «воздушного мешка» может слу­ жить тот факт, что высокое давление

полностью пропадает, если стенка срезана на уровне спокойного горизонта. При этом воздух имеет свободный выход, сжатие его от­ сутствует и на стенку оказывается обычное гидродинамическое дав­ ление.

Давление, развивающееся внутри объема воздуха, вследствие его сжатия движущейся жидкостью, должно передаваться не только препятствию, но и окружающей жидкости, т. е. при разбивании волны внутри жидкости и на границе жидкость — твердое тело должно наблюдаться колебание давления. Действительно, постав­ ленные опыты подтверждают это положение.

Таким образом, становится легко объяснимым факт вырывания массивов из нижних курсов кладки оградительных сооружений. Для этого достаточно допустить, что возникающие колебания давле­ ния внутри жидкости сдвигаются по фазе, проходя через швы кладки.

Имеются достаточно убедительные результаты измерений дав­ ления разбитых и прибойных волн как в лабораторных, так и в ре­ альных условиях, которые указывают на ярко выраженный дина­ мический характер этого давления.

Величина измеренного давления на вертикальную стенку в ре­ альных условиях составляет 70—80 Т/м2 и выше, но время действия такого давления очень невелико и исчисляется сотыми долями се­ кунды (рис. ІѴ-50).

Высота всплеска при ударе прибойных или разбитых волн о сооружения достигает иногда десятков метров; известны случаи по­ вреждения конструкций на высоте 40—50 м и больше.

В настоящее время при любом характере волнения перед вер­ тикальной стенкой волновая нагрузка принимается действующей статически и при определении напряжений в основании сооружения колебания системы сооружение — грунт не учитываются. В дейст­ вительности же, волновая нагрузка во всех случаях должна рас­

170

сматриваться как динамическая: при воздействии разбитых, при­

бойных и стоячих волн.

При воздействии разбитых и прибойных волн сооружение со­ вершает вынужденные и свободные колебания; при воздействии стоячих волн — только вынужденные колебания. При этом в ряде случаев амплитуда вынужденных колебаний при стоячих волнах оказывается весьма значительной.

Необходимость динамического расчета сооружений при воздей­ ствии разбитой и прибойной волн не вызывает сомнений и ряд та­ ких предложений был опубликован в свое время [47, 48]. При воз­ действии же стоячих волн в результате динамического расчета с позиций классической теории колебаний должны быть получены те же амплитудные значения перемещений сооружения как и в резуль­ тате статического расчета, так как период собственных колебаний сооружений обычно во много раз меньше периода волновых коле­ баний.

В результате вынужденных колебаний может наблюдаться осад­ ка сооружения, которая по абсолютной величине превосходит в де­ сятки раз осадку при статическом приложении той же нагрузки. Осадка быстро уменьшается по величине, но не затухает в течение длительного времени.

Однако отсутствие надежных методов вычисления величины и времени действия волнового давления разбитых и прибойных волн, а также присоединенной массы воды и грунта заставляют временно отказаться от такого пути и предложить условную схему расчета, заменив динамические нагрузки эквивалентным статически прило­ женным давлением [18].

При воздействии стоячих волн сооружения пока что так же рас­ считывают на статически приложенное давление.

Рис. ІѴ-51. Схема разбивания волны на откосе:

171

0,1 сек

Рис. ІѴ-52. Характер волнового давления на сооружения от­ косного типа с непроницаемым покрытием (а) и из наброски бетонных блоков (б):

1, /', 2, 2' — точки измерения давления и характер давления

При подходе к откосным сооружениям с достаточно крутым уклоном (і= 1/2—1/5) волна частично отражается и частично раз­ рушается. Отражение волны возрастает с увеличением крутизны откоса и уменьшением крутизны волны, шероховатости и проницае­ мости откоса. Так, например, при замене гладкого непроницаемого покрытия откоса наброской из бетонных массивов (блоков) отра­ жение уменьшается в два раза.

При перемещении волны над откосом происходит искажение профиля волны: крутизна заднего склона уменьшается, переднего — увеличивается. На некоторой глубине гребень волны достигает пре­ дельной ассимметрии; передний склон гребня становится вертикаль­ ным, а высота гребня достигает максимальной величины. При не­ котором дальнейшем продвижении волны вверх по откосу с гребня выклинивается свободно падающая струя и волна разрушается (рис. ІѴ-51). Критическая глубина, на которой разрушается волна, увеличивается при уменьшении заложения откоса и крутизны вол­ ны. При крутых откосах и коротких волнах скатывающийся с отко­ са поток воды способствует разрушению последующей волны, встре­ чаясь с подошвой волны на большей глубине.

При обрушении волны на откосе происходит удар струи о по­ верхность откоса. При этом в первый момент наблюдается резкое нарастание давления, затем давление снижается и в дальнейшем имеет место его колебания с достаточно низкой частотой, что вы­ зывается пульсацией объема воздуха, заключенного между откосом и волной при ее разрушении (рис. ІѴ-52, а). На пологих откосах величина давления при ударе струи уменьшается, а время нараста­ ния давления увеличивается. Это объясняется увеличением в месте удара струи глубины скатывающегося с откоса потока, образующе­ го водяную подушку между струей и плоскостью откоса.

Если на откосе, выше места разрушения волны, располагается вертикальная стенка, то она, испытывая воздействие волноприбойно­

172

го потока, в свою очередь отклоняет поток вверх, вызывая мощные всплески больших масс воды, которые, обрушиваясь вниз, могут выз­ вать вначале разрушение откоса перед стенкой, а затем и самой стен­ ки. Возможность такого явления следует предусматривать при про­ ектировании всех сооружений, находящихся в зоне волноприбойно­ го потока, и особенно берегозащитных сооружений.

При проницаемом откосном сооружении в виде наброски из жамня или бетонных блоков отражение волны резко снижается, дав­ ление сильно уменьшается по величине и изменяется по характеру: резкие удары отсутствуют и имеют место только небольшие ко­ лебания давления (рис. ІѴ-52, б).

Несмотря на то, что в большинстве случаев волны подходят к сооружению не по нормали, при практических расчетах давления волн на сооружения вертикального и откосного типов этим обстоя­ тельством, как правило, пренебрегают и рассматривают только слу­ чай фронтального подхода волн. Однако при косом подходе волн, когда угол падения і, т. е. угол между направлением распростране­ ния волн и нормалью к продольной оси мола больше нуля, приме­ нять полученные расчетные формулы уже нельзя, так жак меняется характер взаимодействия волн с сооружением.

В 1957 г. П. Г. Перроудом были проведены исследования о взаи­ модействии одиночной волны при ее косом подходе с вертикальной стенкой. Было обнаружено, что в зависимости от угла подхода волны имеют место три типа составляющих волн: исходная, отраженная и волна, получившая в акустике название отраженной волны Маха, гребень которой при углах падения исходной волны больше 45°, разворачивается перпендикулярно к продольной оси волнолома.

При взаимодействии периодических волн с вертикальной стен­ кой по данным опытов, проведенных в 1968 г. инж. О. М. Ванчаговым, наблюдались явления, аналогичные явлениям, имевшим место в опытах Перроуда.

При углах падения і<45° угол отражения г (угол между лучом отраженной волны и нормалью к продольной оси стенки) несколько меньше угла падения: например, при угле падения /=22°, угол отражения г=15°, при і= 45°, г= 33° (рис. ІѴ-53). В этом случае вы­ сота интерферированной волны himv (рис. ІѴ-54) наблюдается не­ посредственно у стенки, а волна Маха отсутствует. При углах па-

4

сквозные конструкции в виде системы отдельных цилиндрических или прямоугольных в плане опор, которые при этом обтекаются не­ установившимся периодическим потоком жидкости переменного на­ правления с изменяющимся во времени градиентом скорости. Гид­ родинамические силы, развивающиеся при обтекании отдельной опоры волновым потоком, определяются силой лобового сопротив­ ления и инерционной составляющей, которая развивается вслед­ ствие неустановившегося периодического характера движения.

В зависимости от глубины воды, на которой располагаются сквозные сооружения, используются различные теории волн для вы­ числения скоростей и ускорений частиц жидкости, а также величи­ ны давления.

По многим вопросам, связанным с определением воздействия волн на отдельные опоры, пока еще нет единой точки зрения среди ученых и инженеров, что говорит о необходимости дальнейшего ис­ следования этого вопроса. В значительной степени это относится и к сооружениям других типов, о которых говорилось выше.

§ 10. ДЛИННЫЕ волны

Для строительства портов и защиты побережий, кроме ветрового волнения, большое значение имеют волны, образовавшиеся в ре­ зультате действия Луны и Солнца *, подводных землетрясений или извержений вулканов, резких колебаний атмосферного давления, волны, образовавшиеся в результате группового строения ветровых волн и зыби и др. Все эти виды волн относятся к длинным волнам,

* Длинные волны, связанные с воздействием Луны и Солнца, так называе­ мые приливные волны, подробно рассматриваются в следующей главе.

174

характеризующимся тем, что их длина значительно больше глуби­ ны, скорость распространения зависит только от глубины, верти­ кальные перемещения малы по сравнению с горизонтальными, вол­ новое движение распространяется от поверхности до дна. Период длинных волн меняется в пределах от 30 сек до нескольких часов, а в отдельных случаях, и суток.

Механизм возникновения длинных волн при подводных земле­ трясениях и извержениях вулканов, что бывает реже, связан в пер­ вом случае с вертикальными смещениями обширных участков дна {или сбросами), скорость которых должна быть соизмерима со ско­ ростью распространения упругих волн в морской воде, и во втором случае с подводными взрывами вулканов. В обоих случаях в толще морской воды возникают упругие волны, которые, достигнув поверх­ ности воды, вызывают ее колебание и образование концентрически расходящихся от источника возмущения волн. Эти волны получили название волн землетрясения, или цунами. Вследствие дисперсии скоростей поверхностных волн по мере перемещения возмущения по поверхности океана постепенно формируется группа из 3—9 от­ дельных волн; причем максимальная высота волны наблюдается в средней части группы. По мнению Е. Ф. Саваренокого в эпицентре землетрясений волна цунами имеет максимальную высоту ■— 5,0 м. При средней глубине океана 4,0 км скорость распространения волн цунами составляет 0,2 км/сек или 700 км/ч. Период волн цунами колеблется в пределах 15—60 мин, а длина их составляет, пример­ но, 100—300 км.

При таких соотношениях высоты и длины волны цунами в от­ крытом океане совершенно незаметны. Но при выходе на мелко­ водье эти волны резко увеличиваются по высоте, гребни их раз­ рушаются и по существу формируются огромные одиночные волны перемещения. Название цунами собственно и относится именно к этим волнам. В некоторых случаях высота волн цунами достигает 35—40 м. Они проникают вглубь территории в зависимости от ее рельефа, иногда на 10—15 км и, обладая большой скоростью, вы­ зывают огромные разрушения и колоссальные человеческие жертвы. Так, например, при землетрясении 15 июня 1896 г. у северо-восточ­ ного побережья острова Хонсю образовались цунами из семи волн, которые обрушились на северное побережье о. Хонсю и южное по­ бережье о. Хоккайдо на участке 300 км. Высота максимальных волн достигала 30 м. Было уничтожено 10 тыс. домов и погибло 27 тыс. человек.

В большинстве случаев перед появлением цунами наблюдается понижение уровня моря: море при этом отступает от уреза на не­ сколько сот метров. Затем в море появляется почти вертикальная стена пенящейся воды и стремительно двигается к берегу. Через несколько минут появляется вторая волна большей величины. Обычно максимальной бывает третья или четвертая волны. Цунами образуются далеко не при каждом подводном землетрясении; для этого должны быть определенные условия. В Тихом океане только 1 % подводных землетрясений вызывает цунами.

175

Известно, что цунами образуются, если очаг землетрясения на­ ходится на сравнительно небольшой глубине от поверхности дна. Замечено, что цунами появляется почти при каждом землетрясении, очаги которых располагаются на склонах глубоководных океаниче­ ских впадин. Однако в целом условия образования цунами остают­ ся пока еще мало изученными.

За 2500 лет во всех морях и океанах отмечено 355 цунами, из них 30 при подводных извержениях вулканов.

Наибольшее число цунами (80%) зарождается в сейсмическом поясе Тихого океана. Около половины этого числа обрушиваются ча берега Японии и Гавайских островов. На Курильских островах и Камчатке наблюдались четыре сильных и десять слабых цунами. Причем эпицентры землетрясений находились в непосредственной близости от побережья, и цунами здесь наблюдались через 20— 30 мин после землетрясений.

Взависимости от рельефа дна океана цунами распространяются

вопределенных направлениях, охватывая ограниченный участок бе­ рега. На ровных берегах сила цунами невелика и весьма значитель­ на при наличии воронкообразных бухт и заливов. На побережье Со­ ветского Союза цунами возникают у юго-восточных и северо-вос­ точных берегов Камчатки, а также в районе Курильских островов восточнее пролива Буссоль. Образовавшиеся цунами в первом слу­ чае угрожают соответственно побережью Усть-Камчатского района, юго-восточному побережью Камчатки и побережью северных Ку­ рильских островов; во втором случае — средней части Курильских островов.

На юге Камчатки за последние 200 лет было два цунами с ка­ тастрофическими последствиями. В районе пролива Буссоль в сред­ ней части Курильских островов было два сильных цунами, которые наблюдались с перерывом 150 лет. На севере Камчатки за длитель­ ный период цунами наблюдались один раз.

волноломы, дамбы, стенки, искусственные отмели. В Японии ис­ пользуются насаждения лесных полос и кустарника вдоль берега. Однако все эти меры защиты пригодны при слабых и средних цу­ нами с высотой волн до 6—7 м. При сильных цунами они становят­ ся неэффективными.

В настоящее время наряду со строительством указанных соору­ жений широко используется служба предупреждения цунами. При­ знаками возможного появления их является сильное землетрясение, отступление моря и понижение его уровня, распространение сейсми­ ческих волн и упругих волн в жидкости, которые в открытом море на судах воспринимаются как удар о препятствие. Цунами появляет­ ся обычно через 5—10 мин после понижения уровня океана.

Если принять, что скорость распространения сейсмических волн (упругих продольных волн в земной коре) составляет 10 км/сек, то при скорости распространения цунами 0,2 км/сек время между при­ ходом сейсмических волн и волн цунами составляет A^=5S, где

176

A t— время, сек, S — расстояние от эпицентра землетрясения, км. Для Курило-Камчатского района расстояние 5=100 км. Если средняя глубина и скорость распространения сейсмических волн

равны соответственно 1,0 км и 5,5 км/сек, то Д /^15 мин.

Кроме сейсмических волн при землетрясениях распространяют­ ся упругие волны в воде со скоростью 1,5 км/сек, т. е. при Нср=

=4 км в семь раз быстрее, чем волны цунами.

Всоответствии с этим служба предупреждения цунами должна располагать сетью сейсмических станций, гидроакустических пос­ тов и мареографических станций. При получении предупреждения все население из низменных мест должно перейти на возвышен­ ности, лежащие выше уровня моря на 15—20 м, а суда должны выйти в открытое море.

Длинные поступательные волны с небольшой амплитудой, выз­ ванные действием внешних сил (изменением атмосферного давле­ ния, ветрового нагона, сейсмических явлений), распространяясь после прекращения их действия как свободные волны от места воз­ никновения к берегу, полностью от него отражаются. В результате интерференции падающей волны и отраженной образуются свобод­ ные стоячие волны, которые встречаются во всех природных во­ доемах. Они получили название сейш. Впервые подобные волны были обнаружены швейцарским врачом Форелем в 1869 г. в Же­ невском озере.

Впростейшем случае прямоугольного бассейна с постоянной глубиной Н и длиной I время, за которое волны распространяются от одного берега бассейна до другого и, отразившись, вернутся об­ ратно, будет равно периоду колебаний и в предположении, что

скорость распространения волны равна c — ^gH , может быть вы­ числено по формуле

Это самая низкочастотная составляющая колебаний для данного бассейна с одним узлом, примерно в центре бассейна, где уровень не меняется, и пучностями у берегов, где наблюдается периодиче­ ское понижение и повышение уровня.

Кроме одноузловых могут быть и многоузловые сейши, период которых Т = Т0/п, где п — число узлов. Период сейш может менять­ ся (в зависимости от величины бассейна) от нескольких минут до суток и более. Изменения уровня, вызванные сейшами, достигают в некоторых случаях 2—3 м. Колебания скоростей течения при сейшах сдвинуты на четверть периода относительно колебаний уровня (высокому и низкому уровням соответствует нулевая ско­ рость, а среднему положению уровня — максимальная).

В открытых бухтах узел всегда находится у выхода в море и период собственных колебаний такой бухты будет вдвое больше периода колебаний замкнутого бассейна таких же размеров.

177

В широких бассейнах наряду с продольными стоячими волнами могут возникать поперечные стоячие волны, сдвинутые относительно продольных по фазе. В этом случае результирующее колебание уровня принимает вид обегающей волны, и постоянный уровень на­ блюдается в средней точке бассейна (подробнее см. гл. VI).

Волны в отдельных бассейнах (в том числе портовых) типа сейш могут появиться в результате резонанса, если на воды бассей­ на воздействуют длинные волны с периодом, близким к периоду собственных колебаний массы воды бассейна. Исследования В. С. Бычкова и С. С. Стрекалова показали, что этими волнами мо­ гут быть прибойные биения и метеорологические колебания [11]. Название «прибойные биения» возникло в связи с тем, что вначале периодические изменения амплитуды разбивающихся волн связы­ вали с групповым строением волн в прибойной зоне. В настоящее время одной из наиболее обоснованных теоретически и подтверж­ денных экспериментально гипотез возникновения прибойных бие­ ний является гипотеза, согласно которой прибойные биения возни­ кают как следствие группового строения ветровых волн открытого моря.

Исследования показывают, что прибойные биения всегда наблю­ даются при ветровом волнении, и их период в точности равен пе­ риоду огибающей. При этом максимальным значениям ветровых волн соответствуют максимальные значения амплитуд прибойных биений. По данным наблюдений периоды прибойных биений колеб­ лются от 0,3 до 7,0 мин и наиболее характерный период равен 1 — 2 мин; высота прибойных биений колеблется от 0,2 до 2,0 м и более. Длина волн при этом диапазоне периодов составляет от 0,5 км до нескольких километров.

Прибойные биения, по исследованиям Бычкова и Стрекалова, являются волнами ветрового происхождения и их параметры зави­ сят от размеров ветровых волн и морфометрических условий бас­ сейна. На побережье океанов высота прибойных биений достигает наибольших значений и максимальная измеренная высота этих волн составляет 2,5 м (у берегов Японии).

Метеорологические колебания или, как их называет проф. Н. Н. Зубов, барические волны возникают, согласно одной из гипо­ тез, в результате воздействия гравитационных барических волн в атмосфере на невозмущенную поверхность моря. Поскольку изме­ нение уровня мгновенно следует за изменением давления, то последнеее при движении над морем барических систем возбуждает волны такого же периода на поверхности моря. При этом их амплитуда за­ висит не только от градиента давления, но и от скорости движения барических систем, так как при близких значениях скоростей дви­ жения барической системы и свободных волн при данной глубине моря возникают явления резонанса и амплитуда волн на поверх­ ности моря возрастает.

По данным наблюдений значения периодов метеорологических колебаний изменяются в пределах от 7,5 до 100 мин, и высота — от 5 до 100 см.

178

Метеорологические колебания постоянно присутствуют в спект­ ре колебаний уровня моря и могут быть достаточно устойчивыми даже при жестких штормах, являясь фоном для ветрового волне­ ния и прибойных биений [11].

Воздействие длйннопериодных волн, — прибойных биений и ме­ теорологических колебаний, — на портовые бассейны может вызвать их собственные колебания. При этом метеорологические колебания возбуждают колебание всего бассейна в целом, а прибойные бие­ ния — его некоторых частей.

Если периоды подходящих к порту волн совпадают с периодом собственных колебаний бассейна порта, то наблюдается явление ре­ зонанса, что вызывает усиление собственных колебаний бассейна. С этими явлениями связывают возвратно-поступательные движения пришвартованных судов в горизонтальной плоскости. Эти подвижки называют тягуном. При определенных условиях они могут привести к удару судов о причал, их повреждению, обрыву швартовых и про­ чее. Тягун наблюдается во многих портах мира, расположенных на открытых приглубых побережьях, т. е. подверженных действию волн открытого моря. В Советском Союзе тягун имеет место в пор­ тах Черного моря: Туапсе, Сочи, Поти, Батуми.

Тягун возникает в результате резонанса собственных колебаний бассейна и колебаний пришвартованного судна. Последнее зависит от водоизмещения судна и жесткости системы швартовых. Следова­ тельно, тягун представляет собой двойной резонанс: резонанс длин­ нопериодных волн с колебаниями массы воды в бассейне порта и резонанс последних с колебаниями пришвартованного судна. Аква­ тория порта служит усилителем длиннопериодных первичных волн. Без этого подвижки судов были бы весьма слабыми.

Наряду с изложенным существуют и другие гипотезы явления тягуна. Так, И. Б. Тишкин считает, что тягун возникает, когда пери­ од огибающей группы короткопериодных волн совпадает или кра­ тен периоду собственных колебаний пришвартованного судна [65]. При этом волны должны иметь амплитуды не меньше некоторого предела, при современных судах порядка 1,0 м. Однако следует за­ метить, что тягун часто наблюдается на акватории портов, хорошо защищенных от ветрового волнения.

Имеющиеся данные по изучению тягуна пока еще не позволяют сформулировать единых рекомендаций по борьбе с этим явлением

итребуется изучение всего комплекса действующих факторов в каж­ дом конкретном случае. Однако, как следует из вышесказанного, нужно принять меры к тому, чтобы не было совпадения колебаний массы воды в бассейне порта и пришвартованного судна, что может быть достигнуто созданием бассейнов определенной конфигурации

иприменением специально подобранной системы швартовых.

§11. ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ

Вреальных условиях толща морской воды неоднородна по глу­ бине и состоит из целого ряда слоев различной плотности, чаще

179