Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
2009 Учебное пособие по портам Дьячков.doc
Скачиваний:
435
Добавлен:
16.12.2018
Размер:
16.44 Mб
Скачать

Морские волны и их классификация

Рис. 17 Морская волна

Взволнованная ветром поверхность воды в общем случае име­ет весьма сложный трехмерный характер. С момента возникно­вения ряби, которая появляется при скорости ветра около 1 м/с, до полного развития волнения характер взволнованной поверхности все усложняется и на первый взгляд она представляется ха­отичным нагромождением непрерывно возникающих холмов и ложбин, перемещающихся в разных направлениях. Однако при тщательном анализе обнаруживается некоторое генеральное на­правление перемещения всей системы волн - сквозь трехмер­ный хаос

проглядывает д

Рис. 18 Профиль волны зыби

А) на бесконечной глубине б) на конечной глубине

вухмерное движение волн в одном на­правлении. Чем ближе подходят волны к берегу, тем больше проявляет себя двухмерность основного движения. Если волны выходят из зоны непосредственного воздействия ветра, то вторичные образования довольно быстро затухают и волны приоб­ретают правильный двухмерный характер, образуя так называ­емые волны зыби.

Волны зыби имеют симметричный, относительно вертикальных осей, профиль. Движение частиц при волнах зыби носит правиль­ный периодический характер, все динамические и кинематиче­ские характеристики этих волн хорошо изучены гидромеханикой. Поэтому все инженерные расчеты взаимодействия волн с пор­товыми сооружениями построены на предположении, что на них действуют именно волны зыби. За последнее время установлено, что вынужденные волны, т. е. волны, находящиеся под действием ветра, иначе воздействуют на сооружение, чем волны зыби, од­нако методика расчета сооружений на действие вынужденных волн еще не разработана.

Профиль волны зыби (рис.18) близок к трохоиде: он име­ет заостренный гребень волны и пологую ложбину. Верхняя точ­ка гребня А носит название вершины; нижняя точка ложбины В - подошвы. Вертикальное расстояние между вершиной и по­дошвой называется высотой волны h. Расстояние между двумя смежными вершинами или подошвами называется длиной вол­ны λ. Ввиду несимметричности профиля относительно горизон­тальной оси средняя волновая линия, делящая высоту волны по­полам, не совпадает со спокойным уровнем. Гребень волны пе­ремещается с некоторой видимой скоростью, которая называется скоростью распространения волны С, время, в течение которого вершина волны переместится на расстояние, равное длине волны, называется периодом волны Т. Частицы воды совершают колеба­тельное движение со скоростью (v), которая носит название орби­тальной скорости. Вследствие незамкнутости орбит волны зыби сопровождаются общим перемещением масс воды в сторону рас­пространения волн, называемым волновым течением. Однако это перемещение невелико и в инженерной практике используются обычно зависимости приближенной трохоидальной теории волн, которая предполагает орбиты замкнутыми. Орбитальное движение для поверхностных частиц происходит по замкнутым орбитам. Радиус орбит быстро убывает с глубиной, т. е. волновое движение на этой глубине прак­тически затухает.

На конечной глубине, (практически, когда глубина меньше половины длины волны) согласно трохоидальной теории круго­вые орбиты превращаются в эллиптические (рис. 18 б), а непосредственно у дна сохраняет­ся лишь горизонтальное колебательное движение частиц воды.

Волны сохраняют колебательный характер движения до тех пор, пока насыщение энергией, вследствие уменьшения глубины, не достигнет предела. При достижении определенной критиче­ской глубины (она колеблется в пределах от 1,2Н до 1,5Н) вол­ны разрушаются. При этом, если уклон дна мал, то происходит перестройка волн и далее распространяются волны с меньшей высотой, а при большом уклоне новые волны не образуются и в сторону берега перемещаются прибойные массы воды.

Силовое воздействие волн зависит в первую очередь от вы­соты волны h, хотя оказывают заметное влияние и длина волны λ и связанный с ней период Т. Для характеристики волнения не­редко используют такой производный параметр, как крутизна волны, которая равна отношению высоты волны к ее длине. На­иболее крупные волны на водохранилищах достигают высоты 4м и обычно имеют крутизну 1 : 10 - 1 : 12, а на внутренних морях при максимальной высоте волн 6—8 м их крутизна равна 1 : 15 - 1 : 20. Для наиболее крупных волн открытых морей крутизна может доходить до 1 : 23 (по В. В. Шулейкину). При распрост­ранении волн зыби на большие расстояния высота волн умень­шается быстрее, чем длина, и поэтому на океанских просторах встречаются весьма пологие волны («мертвая зыбь») с крутиз­ной 1 : 80 и меньшей.

Наиболее достоверные данные о параметрах волн можно бы­ло бы получить в результате длительных натурных наблюдений. К сожалению, в лучшем случае мы располагаем лишь данными кратковременных наблюдений, по которым трудно установить расчетные параметры волн заданной обеспеченности. Для вновь создаваемых водохранилищ вообще отсутствуют какие-либо дан­ные о будущем волновом режиме. Поэтому основные расчетные параметры волн определяют расчетом.

Основными факторами, определяющими параметры волн, яв­ляются длина разгона, скорость ветра и его продолжительность, а также глубина бассейна. Ввиду сложности явления возникно­вения, развития и затухания волн до настоящего времени не соз­дано теоретического метода определения параметров ветровых волн.

По характеру волнового режима прибрежная часть водоема по предложению Н. Н. Джунковского делится на четыре зоны (рис. 19).

Рис. 19 Волновые зоны в прибрежной части

До глубины, равной половине длины волны, распространяет­ся первая -глубоководная зона. Параметры волн, определен­ные для глубоководья, относятся к границе этой зоны и являют­ся исходными для расчетов волновых характеристик в следу­ющих зонах.

Вторая - мелководная зона ограничивается глубинами λ/2 > Н > Нкр, где Нкр - глубина первого забурунивания волн, называемая критической глубиной. В этой зоне происходит пос­тепенное изменение характера волн. Круго­вые движения частиц воды переходят в эллиптические с нарас­танием различия в осях по мере приближения к критической глу­бине. Длина и скорость распространения волн уменьшается, увеличиваются орбитальные скорости. Происходит также изме­нение высот волн. Третья - прибойная зона характеризуется резко выраженной асимметрией профиля волн и ярко выражен­ным поступательным движением массы воды в сторону берега, траектории частиц имеют петлеобразную форму.

В зависимости от уклонов дна волны в этой зоне могут иметь несколько последовательных обрушений. Створ последнего обрушения является началом четвертой - приурезовой зоны. Здесь, после окончательного разрушения волны прибойный поток воды вкатывается на берег.

Внешние оградительные сооружения портов обычно разме­щают во второй зоне и реже в первой и третьей. Берегоукрепительные сооружения попадают, как правило, в четвертую и третью зоны.