Накат волны

Накат волны — это высота, на которую волны поднимаются по склону откоса , берега или дамбы , независимо от того, разбиваются волны или нет. Наоборот, накат волны — это высота, на которую волны отступают. Эти высоты всегда измеряются вертикально (а не вдоль склона). Высота наката волны, обозначаемая , , или , является очень важным параметром в прибрежной инженерии , поскольку вместе с проектным наивысшим уровнем спокойной воды она определяет требуемую высоту гребня дамбы или откоса. $R_{u}$ ${R_{вверх}}$ $z$

История

Первые научные измерения наката волн были проведены Комитетом Лоренца в рамках подготовки к работам по закрытию Зёйдерзе . ^[1] Комитет измерил высоту волн и накат волн в разных местах в 1920 году, но установил, что современные методы измерения волн в полевых условиях во время штормов были неадекватны. В результате были также проведены масштабные испытания, но они также оказались весьма ограниченно эффективными из-за того, что в то время можно было моделировать только регулярные волны (идеализированные периодические волны с постоянной амплитудой и фиксированным периодом времени между последовательными гребнями волн, следующие синусоидальному шаблону).

Методы и технологии, доступные комитету в то время, не позволяли проводить модельные испытания более реалистичных и сложных нерегулярных волн (состоящих из различных высот, периодов и направлений), которые обеспечивали бы более точное представление реальных условий, с которыми сталкиваются прибрежные сооружения и береговые линии.

Однако было обнаружено, что глубина перед дамбой очень важна для наката волн и что, по крайней мере для диапазона наблюдений в измерениях комитета, отношение уклонов не играет большой роли. Почти все дамбы в Нидерландах в то время имели уклон 1:3.

Текущие знания показывают, что во время штормов и на пологих прибрежных склонах значительная высота волны составляет примерно половину глубины воды. Это соотношение, по-видимому, является точным, и наблюдение более выражено для склонов около 1:3.

Это исследование было продолжено во время работ в Зёйдерзе и в конечном итоге привело к (старой) формуле Делфта для расчета наката волны: ^[2]

Ru=8H\tan \альфа

в котором:

$Ру$ это разбег,
$H$ это (обычная) высота волны у носка и
$\альфа$ — наклон рассматриваемой конструкции.

Эта формула оказалась применимой в целом для гладких склонов и относительно крутых (штормовых) волн. Впоследствии было обнаружено, что более длинные (зыбь) волны приводят к более высокому накату. Чтобы учесть это, период волны был включен в формулу с использованием числа Ирибаррена , , что привело к разработке формулы Ханта: ^[3] $\xi$

{\frac {Ru}{H}}=\xi ={\frac {\tan \alpha}{(H/L_{0})^{\frac {1}{2}}}}

Эта формула была верна и для регулярных волн. Формула Старого Делфта и формула Ханта идентичны для волн с крутизной 1/64, или около 2%. Для более высоких значений формула Ханта имеет предельное значение: . $\xi$ $\xi >2{.}5$ $\rightarrow$ $Ru/H=2{.}5$

ван дер Меер, TAW и продолжающееся развитие формул

В 1988 году ван дер Меер предоставил формулы для наката волн на волнорезы из каменных насыпей, основанные на испытаниях с прямыми склонами, укрепленными камнем. Он также ввел воображаемый коэффициент проницаемости для конструкции. ^[4] Этот коэффициент также учитывает влияние объема пор. Определяя на уровне наката вероятность превышения , формула, действительная для и лобовых волн, выглядит следующим образом: $P$ $R_{вверх}$ $p$ $0.1\leq P\leq 0.6$

${\frac {R_{up}}{H_{s}}}={\begin{cases}a\xi _{m}&{\text{for }}\xi _{m}<1.5\\b\xi _{m}^{c}&{\text{for }}\xi _{m}>1.5\end{cases}}$

Член достигает постоянного максимального значения, равного в случае проницаемых структур, т.е. . Это соответствует области набегающих волн, где нет реального обрушения волн и где крутизна и угол наклона волны не влияют на накат. ^[5] Коэффициенты и представлены в таблице ниже: ${\frac {R_{up}}{H_{s}}}$ $д$ $P>0,4$ $а,б,$ $с$ $д$

Значения коэффициентов подчеркивают значительную изменчивость уровня наката от одной волны к другой в нерегулярных морях. ^[6] Что касается уровней наката на гладких склонах, то в 1974 году в Нидерландах работа Технического консультативного комитета по водной обороне (Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen ) обсуждала снижение наката из-за различных типов шероховатости поверхности. ^[7]

Неправильные волны

В практических сценариях волны нерегулярны, состоящие из комбинации волн с различной высотой, периодом и направлением. Эти волны обычно анализируются с использованием статистических методов и спектрального анализа, что обеспечивает более точное представление фактических условий, с которыми сталкиваются прибрежные сооружения и береговые линии. Следовательно, невозможно определить единое значение наката волны. Вместо этого используется накат волны с определенной вероятностью превышения , обычно устанавливаемой на уровне 2%. Этот накат волны представляет собой высоту, превышенную 2% волн в волновом поле.

Исследования показывают, что накат волн следует распределению Рэлея , подобно самим волнам. Было выбрано значение вероятности превышения, которое достаточно мало, чтобы предотвратить повреждение внутреннего склона перехлестывающимися волнами. Значение 2% было принято на международном уровне и было произвольно выбрано голландской лабораторией Waterloopkundig незадолго до 1940 года. Учитывая функцию, 1% или 5% также могли быть возможны. Выбор 2% был основан на продолжительности экспериментальных проектов, поскольку полное испытание можно было провести за полдня.

В 1972 году Юрьен Баттьес , по заказу Голландского технического консультативного комитета по защите от наводнений, обобщил имеющиеся исследования и предоставил прочную теоретическую основу. ^[8]^[9] Эта работа привела к улучшенной версии формулы Ханта, которая явно включала параметры угла падения волн, влияние бермы и шероховатости склона. Однако доступных экспериментальных данных по шероховатости и берме было недостаточно для установления окончательной формулы.

Последующие исследования проводились в последующие годы с акцентом на перехлест волн как более показательный фактор высоты дамбы, чем накат волн. В конечном итоге это исследование привело к Техническому отчету в 2002 году голландской организации TAW. ^[10] Формула наката волн, упомянутая в этом отчете, по-прежнему используется, и руководство EurOtop приняло ее. Область действия была дополнительно расширена в руководстве EurOtop, в котором представлены измененные формулы. ^[11]

Современные формулы наката волн

Накат волны для различных материалов с уклоном 1:3. Накат волны рассчитывается по формуле: , где - коэффициент уменьшения, а - число Ирибаррена. Различные материалы демонстрируют различные факторы шероховатости, влияющие на высоту наката волны. На этом графике сравнивается накат волны для двухслойного армированного камня, однослойного армированного камня и асфальта для волнолома с T=6s, Lo=100m, =0 и шириной бермы =3m.
${\frac {Ru_{2\%}}{H_{m0}}}=1,7\gamma \xi _{m-1,0}H_{m0}$
$\гамма$ $\xi _{м-1,0}$ $\бета$

В руководстве EurOtop приведена общая формула (формула 1.4 в руководстве) ^[11] для расчета наката волны:

{\frac {Ru_{2\%}}{H_{m0}}}=1,7\gamma \,\xi _{m-1,0}

с максимальным значением около 3. Затем используется число Ирибаррена на основе периода, определенного с использованием первого отрицательного момента волнового спектра. Кроме того, это коэффициент уменьшения для факторов, описанных ниже. $\xi _{м-1,0}$ $\гамма$

Имеет место следующее уравнение:

{\ displaystyle \ gamma = \ gamma _ {b} \ gamma _ {f} \ gamma _ {\ beta }}

в котором:

$\гамма _{b}$ — это уменьшение за счет бермы. Берма особенно эффективна, когда она размещена на уровне спокойной воды (т.е. проектном уровне воды). Для типичной голландской дамбы (уклон 1:3, крутые волны) справедливо следующее уравнение: , в котором — ширина бермы. Приемлемый диапазон для этого составляет . $\gamma _{b}\approx {\frac {6}{B/H_{m0}+6}}$ $Б$ $0,6<\gamma _{b}<1.0$
$\gamma _ {\beta }$ представляет собой сокращение для наклонно приближающихся волн, , где - угол подхода волн в градусах (0° соответствует перпендикулярному подходу) $\gamma _ {\beta } = 1-0,0022\,\beta$ $\бета$
$\гамма _{f}$ - это влияние шероховатости. Для этого фактора можно использовать следующую таблицу:

Диапазон предоставляется для материалов Hillblock и Ronataille, поскольку их коэффициент сокращения зависит от высоты волны. Аналогичное явление происходит с травой. Под воздействием высоких волн натуральная трава становится очень гладкой, что приводит к коэффициенту сокращения . Однако для более мелких волн — примерно 25 сантиметров (9,8 дюйма) или меньше — натуральная трава имеет тенденцию быть намного грубее. В таких случаях можно выбрать коэффициент сокращения ниже 1,0. $\gamma _{f}=1{.}0$ $\гамма _{f}$

При работе с волнами с коротким гребнем самый высокий накат вызван лобовыми волнами (с углом падения ) и равен накату для волн с длинным гребнем. Для гладких склонов накат немного уменьшается с . Скат обычно колеблется между третью и половиной наката. Для волнорезов и откосов, построенных с использованием каменной брони , максимальный уровень ската может указывать на минимальное нисходящее расширение первичной брони и потенциальный верхний уровень для введения бермы с меньшим размером брони. ^[5] $\бета =0$ $\бета$

Волновой набег

Для волнового наката существует аналогичная формула: ^[12]

{\frac {Rd_{2\%}}{H_{m0}}}={\tfrac {1}{3}}\gamma _{f}\xi _{m-1,0}

След наводнения

Двойные линии обломков на дамбе вдоль Батпольдера, Зеландия

После штормовых событий на склоне часто остается слой плавающего мусора, известный как отметка наводнения или обломки. Эта отметка прилива указывает на максимальный подъем волны во время предыдущего шторма. Поскольку отметка наводнения расположена вблизи высоты максимального подъема волны, а уровни воды, как правило, хорошо документируются близлежащими приливными станциями, легко рассчитать Ru _2% шторма, вычитая наблюдаемый уровень штормового нагона из уровня отметки наводнения.

В прошлом власти Нидерландов систематически регистрировали эти наблюдения для большинства дамб, что приводило к сбору данных о высоте отметок затопления для каждого участка дамбы. Статистику высот отметок затопления можно использовать для определения высоты дамбы, которая должна включать проектный уровень воды плюс безопасную высоту (надводный борт). Надводный борт при проектном уровне воды должен быть равен максимально допустимому набегу волны. ^[13]

Для дамбы с допустимой вероятностью превышения нагрузки в год, например, 1/500 (как в случае с временным укреплением дамбы в Остершельде ), необходимо определить накат волны 1/500. Это можно рассчитать, если известна высота волны 1/500 у подножия дамбы. Однако это значение редко измеряется и должно определяться с помощью вычислительной модели, например, SWAN. ^[14] Во многих случаях этот процесс может быть сложным и подверженным ошибкам.

Анализируя высоты отметок затопления, что подразумевает простое нанесение данных на логарифмическую бумагу, можно напрямую получить такие значения, как 1/500 наката волны, и, следовательно, требуемую высоту безопасности. Пример этого можно наблюдать на прилагаемой фотографии линий наката и отметок затопления на дамбе вдоль Батпольдера в Зеландии . На фотографии показаны две линии отметок затопления, которые представляют собой накат волн двух последовательных штормов (12 октября 2009 года, с уровнем воды 2,2 метра (7 футов 3 дюйма) и 1,9 метра (6 футов 3 дюйма) над средним уровнем моря) в Батпольдере. На переднем плане находится склон с блоками Харингмана, а на заднем плане — склон Эластокоста. Высота волны во время этих штормов составляла приблизительно 0,5 метра (1 фут 7,7 дюйма). Накат волны составил 0,8 и 0,85 метра (2 фута 7 дюймов и 2 фута 9 дюймов) над уровнем штормового нагона на Elastocoast и 1,05 и 1,1 метра (3 фута 5 дюймов и 3 фута 7 дюймов) над уровнем штормового нагона на блоках Haringman. Градиент склона здесь составляет 1:4,2. Поскольку блок Haringman имеет размер ровно 50 сантиметров (19,7 дюйма), накат можно оценить на этой фотографии. Последующий анализ показывает, что коэффициент уменьшения γ _f для блоков Haringman здесь равен 1,0, а для Elastocoast он равен 0,8.

Моделирование наката волны

Для оценки безопасности дамбы и прочности ее травяного покрова, особенно на морской или речной стороне, можно использовать имитатор волнового наката. Волновые условия, для которых спроектирована дамба, встречаются нечасто, а прочность травяного покрытия варьируется. Эти условия дамбы можно воспроизвести на месте с помощью имитатора волнового наката, что позволяет менеджеру соответствующей системы защиты от наводнений определить, достаточно ли прочен травяной покров, чтобы выдерживать ожидаемые волны в экстремальных условиях. ^[11]

Во время этих испытаний имитатор наката волны размещается на внешнем склоне и непрерывно заполняется водой с постоянной скоростью потока. Заслонки в нижней части имитатора могут открываться в разной степени, что позволяет моделировать различные объемы наката волны. ^[15]

Симулятор наката волны является одним из методов оценки прочности травяного покрова. Другой подход предполагает использование дернодерна , который может определить прочность дерна на разрыв и позволяет инженеру преобразовать эту прочность на разрыв в прочность под нагрузкой, вызванной накатом волны. ^[16] Помимо моделирования наката волны, моделирование ударов волн и перехлеста волн может быть достигнуто с помощью специально разработанных генераторов и симуляторов.

Примечание

Нагон волн не следует путать с нагоном волн (повышение уровня воды из-за известных волн) или с нагоном волн ( штормовой нагон , повышение уровня воды из-за движущей силы ветра).

Ссылки

Общая ссылка

Van der Meer, JW ; Allsop, NWH ; Bruce, T. ; De Rouck, J. ; Kortenhaus, A. ; Pullen, T. ; Schüttrumpf, H. ; Troch, P. ; Zanuttigh, B. (2018): EurOtop. Руководство по перекрытию волнами морских защитных сооружений и связанных с ними сооружений. Руководство по перекрытию, в значительной степени основанное на европейских исследованиях, но для применения во всем мире, Rijkswaterstaat & Environment Agency

^ Лоренц, ХА; Вортман; ван Эвердинген; Ступ (сентябрь 1926 г.). «Хофдстук 8». Государственная комиссия встретила решение, которое вы должны принять в любом месте, а также помощь в судах Зейдерзее, которая заключается в том, что время шторма имеет большую водную стоянку и большую площадку для гольфа, а затем он не может найти, что нужно для того, чтобы увидеть обширную землю Северной Голландии. , Friesland en Groningen, alsmede vóór de daarvoor gelegen Noordzee-eilanden [ отчет государственной комиссии по расследованию того, насколько закрытие Зейдерзе вызывает более высокий накат волн вдоль побережья Северной Голландии, Фрисландии и Гронингена ] (на голландском языке) . Ландсдруккерий, Гаага. стр. 249–258.
^ Тийсс, Дж.Т. (1935). Nota betreffende den Golfoploop [ Меморандум о набеге на волну ] (на голландском языке) (Nota ZZW № 89 изд.). Рейксватерштат, Динст Зейдерзеверкен.
^ Hunt Jr., IA (1959). «Проектирование морских дамб и волнорезов». Журнал Waterways and Harbors Division . 85 (3): 123–152. doi : 10.1061/JWHEAU.0000129. hdl : 2027/uc1.31822032677668 . Получено 14 апреля 2023 г. – через Американское общество инженеров-строителей (ASCE).
^ Ван дер Меер, Дж. В. (1988). Каменистые склоны и галечные пляжи под воздействием волн (PhD). Делфтский технический университет.
^ ab Abbott, MB; Price, WA (1994). Coastal, Estuarial and Harbour Engineer's Reference Book (2-е изд.). CRC Press. стр. 395–397. ISBN 978-0-419-15430-3.
^ Burcharth, HF (1994). «Проектирование волнорезов». В Abbott, MB; Price, WA (ред.). Coastal, Estuarial and Harbour Engineers' Reference Book . Boca Raton, FL: CRC Press . стр. 381–424. ISBN 9780367864644.
^ Ван дер Меер, Дж. В. (1998). "Накат волн и перехлест". Дамбы и насыпи . Routledge. doi : 10.1201/9781315141329. ISBN 978-1-315-14132-9.
^ Баттьес, Юрьен (1972). Накат и перекрытие волны. Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen (TAW)/Rijkswaterstaat, 's-Gravenhage. п. 188.
^ Battjes, JA (1974). Расчет наката, течений вдоль берега, наката и перелива из-за ветровых волн (PhD). Delft University of Technology . Получено 11 апреля 2023 г.
^ Аб ван дер Меер, Енцье (май 2002 г.). Technisch rapport Golfoploop en Golfoverslag bij dijken [ Технический отчет о наезде и преодолении волн на дамбах ] (на голландском языке). Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen (TAW)/Rijkswaterstaat, Делфт. п. 53.
^ abc van der Meer, JW; Allsop, NWH; Bruce, T.; De Rouck, J.; Kortenhaus, A.; Pullen, T.; Schüttrumpf, H.; Troch, P.; Zanuttigh, B. (2018). Руководство EurOtop по преодолению волнами морских защитных сооружений и связанных с ними сооружений. Второе издание 2018 г. (PDF) . Получено 11 апреля 2023 г.
^ Blenkinsopp, CE; Matias, A.; Howe, D.; Castelle, B.; Marieu, I.; Turner, L. (июль 2016 г.). «Накат волн и захлест на песчаный барьер в масштабе прототипа». Coastal Engineering . 113 : 88–103. doi :10.1016/j.coastaleng.2015.08.006.
^ Куин, РА; Стробанд, HJ (1946). Overzicht van de Zeeuwsche hoofdwaterkeeringen [ Обзор главной морской обороны провинции Зеландия ] (на голландском языке). «Рейксватерштат», реж. Benedenrivieren, Studyienst.
^ Верхаген, HJ "Swan and SwanOne". ТУ Делфт . Проверено 14 апреля 2023 г.
^ Стендам, Дж.Дж.; Ван дер Меер, JW; Ван Ховен, А.; Лабрюжер, А. (2017). «Моделирование набега волн на реальных дамбах». Межд. Конф. О береговой инженерии . 2016 .
^ Bijlaard, RW (12 июня 2015 г.). Прочность травяного дерна на дамбах при перехлесте волн. TU Delft, Гидравлическое машиностроение.