Профиль подводного берегового склона как основа прогноза динамики берегов арктических морей

Содержание

154

проявления ЭПФ от времени охлаждения после НПЦН получена следующая зависимость:

Тинт = — arctg

П

Зависимость коэффициента восстановления формы от времени охлаждения после НПЦН может быть описана следующим образом:

К„,ф = —arctg

п

4. Заключение

Несмотря на относительную простоту, предложенная математическая модель позволяет описывать эффекты второго порядка, сопровождающие проявления эффекта памяти формы.

Показано, что изменяя величину времени охлаждения после НПЦН, можно “управлять” началом проявления ЭПФ, т.к. ЭПФ коррелирует с изменением длительности охлаждения после НПЦН.

5. Литература

Пяк Е.А., Миньков М.М. Моделирование эволюции температурных полей и полей упругих характеристик материалов с ЭПФ при нагреве// В сб.: «Шаг в будущее» межвузовский сб. научных трудов. - СПб.: ПГУПС, 2003. - С. 172-176.

Вьюненко Л.Ф., Вьюненко Ю.Н., Пяк Е.А. Моделирование эволюции полей упругих характеристик материалов с ЭПФ// г. Тамбов, 2003, Вестник ТГУ, т.8, вып.4. - С. 557-561.

Vyunenko Yu.N., Vyunenko L.F. Residual stresses mechanism of SME: Theory and simulation // J. Phys. IV, v.112 (2003), part 1, p. 235-238.

Вьюненко Ю.Н., Вьюненко Л.Ф. К вопросу о моделировании ЭПФ в рамках механизма остаточных напряжений // Механизмы деформации и разрушения перспективных материалов: Сб. докл. / XXXV семинар «Актуальные проблемы прочности». -Псков, 1999, ч II. - С. 361-365.

Вьюненко Л.Ф. Использование полувероятностной модели для изучения влияния химического состава ЭПФ-сплавов на деформационные процессы // Труды VI Междунар. семинара «Современные проблемы прочности». - Ст. Русса, 2003, т.2. - С. 27-31.

Проектирование и строительство

УДК 12.15.18

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1

Содержание

155

ПРОФИЛЬ ПОДВОДНОГО БЕРЕГОВОГО СКЛОНА КАК ОСНОВА ПРОГНОЗА ДИНАМИКИ БЕРЕГОВ АРКТИЧЕСКИХ МОРЕЙ

О.А. Груздева

Аннотация

Одна из главных проблем современной арктической науки состоит в том, чтобы предсказать глобальные изменения. Динамика прибрежной зоны - это запутанный комплекс гидромеханических и литодинамических процессов. Основными процессами литодинамики, в применении к арктическим морям, являются разрушение берега и подводного берегового склона, вызванное термоабразией, термоденудацией и движение отложений, приносимых морем посредством разрушения берега, реками и ветрами и накоплением отложений в рельефных формах, созданных морскими волнами, течениями, дрейфующими льдами, дюны и даже слоями на дне. Наша задача состоит в возможности применения математического описания профиля подводного берегового склона для описания динамики арктических берегов.

Ключевые слова: подводный береговой склон; динамика арктических берегов; донные наносы

Введение

Береговая зона является ареной активного взаимодействия воды и суши и отличается большой динамичностью. Береговые процессы оказывают разнообразное и чаще всего вредное влияние на условия деятельности человека. Особенно большой ущерб наносит разрушение берегов, которое широко распространено как на естественных, так и на искусственных водоемах и водотоках. Поэтому главными проблемами исследования динамики берегов является прогноз их разрушения и разработка инженерных методов защиты. Основными объектами исследования при решении инженерных вопросов на берегах являются движение наносов и преобразование рельефа, а целью - расчет движения наносов и прогнозирование изменений рельефа береговой зоны.

1. Особенности берегов арктических морей

Особенности эволюции берегов полярных морей обусловлены прежде всего влиянием морского льда и присутствием многолетнемерзлых горных пород в береговой зоне. Лед выполняет двоякую функцию - уменьшает продолжительность и энергию волнового воздействия на берега и производит механическую работу по перемещению наносов. Ледовый припай исключает воздействие волн на берега на период до 9 месяцев в году. Дрейфующие льды уменьшают энергию волнения. Стамухи -

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1

Содержание

156

крупные массивы льда, сидящие на мели вдоль берегов в течение всего лета, оказывают блокирующий эффект. Лед влияет также на движение наносов, прекращая их движение в зимний период.

Морфология берегов, сложенных многолетнемерзлыми породами, отличается исключительным своеобразием и изменчивостью. Благодаря наличию большого количества подземного льда в мерзлых рыхлых породах, тепловая энергия воды превращается в мощную движущую силу абразионного процесса. Мерзлые породы обладают высокой прочностью по отношению к гидравлическому воздействию воды, но быстро оттаивают под воздействием положительной температуры воды и затем легко размываются волнами. Если суммарная льдистость пород, слагающих берег, превышает некоторое критическое значение, термоабразионное разрушение берега становится незатухающим и его развитие возможно даже без участия волнения.

Подводный береговой склон термоабразионного берега, сложенного рыхлыми породами, обычно представляет собой вогнутую поверхность, отвечающую относительно равномерному расходованию волновой энергии по профилю склона. Уклон подводного склона является функцией крупности слагающих его наносов. Чем менее крупность, тем положе уклон подводного склона и тем шире береговая зона.

Берега арктических низменностей отличаются высокими скоростями термоабразии до 10-30 м/год, а в среднем 3-5 м/год. Скальные берега разрушаются быстрее, чем в умеренных широтах. Низкие температуры воздуха способствуют морозному выветриванию горных пород. Периодическое смачивание пород и проникновение воды в трещины с последующим замерзанием воды и расширением льда ведет к растрескиванию пород и их разрыхлению.

2. Цели исследований береговой динамики и транспорта наносов

В основе современных инженерных методов расчета транспорта наносов в береговой зоне и прогноза разрушения берегов, сложенных рыхлыми отложениями, лежит математическое выражение профиля подводного берегового склона. Эти методы разработаны на основе изучения подводного берегового склона теплых морей. На кафедре гидравлики ПГУПС ведется изучение формы профиля подводного берегового склона арктических морей. Целями этих исследований является

1) выявление особенностей формы профиля арктических морей, обусловленных влиянием многолетнемерзлого состояния горных пород и морского льда;

2) сравнение формы профилей в Арктике и за ее пределами;

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1

Содержание

157

3) выяснение применимости в Арктике методов прогноза, разработанных для берегов теплых морей;

4) разработка практических рекомендаций по прогнозу динамики арктических берегов с использованием математического выражения профиля подводного берегового склона.

3. Анализ донных наносов

Полевые исследования донных наносов на подводном склоне (ПБС) термоабразионных берегов проводились в 1999-2002 г. на 15 ключевых участках в рамках программы Российско-Германских исследований динамики берегов моря Лаптевых. Полученные данные уникальны, так как никогда прежде на берегах северных морей такие исследования не проводились.

Образцы наносов были отобраны легким грейферным пробоотборником с 22 измеренных профилей подводного берегового склона с шагом 1 м по глубине у берегов, сложенных ледовым комплексом (7 профилей), ледовым комплексом, подстилаемым коренными породами на уровне моря (5 профилей), песком (7 профилей) и коренными породами (3 профиля). На нескольких профилях были отобраны образцы пляжного материала. Всего был отобран 151 образец. Гранулометрический состав изучался на лазерном приборе. В результате компьютерной обработки были получены таблицы объемного содержания частиц различного диаметра в процентах с шагом от 0,04 до 200 мкм, а также статистические параметры: средний и медианный диаметры частиц, мода распределения, коэффициенты асимметрии и эксцесса.

Рассмотрена зависимость крупности наносов от глубины воды для четырех исследованных типов берегов. Для берегов, сложенных ледовым комплексом, эта зависимость выражена слабо и характеризуется очень низким коэффициентом смешанной корреляции R2. Гораздо сильнее она проявляется у песчаных берегов и в наибольшей мере у берегов, сложенных коренными породами, где коэффициент смешанной корреляции достигает величины 0,94.

Отложения ледового комплекса характеризуются высоким содержанием алеврита (40-90%), но на ПБС этих берегов превалирует песок. Донные наносы на ПБС песчаных берегов содержат более 90% песка до глубины 5-6 м. При дальнейшем увеличении глубины содержание песка более или менее закономерно уменьшается до 40-50%. У берегов, сложенных ледовым комплексом, подстилаемым коренными породами, донные наносы содержат обычно 80-90% песка до глубины 10 м. При этом наблюдается очень небольшое уменьшение содержания песка с увеличением глубины. У берегов, сложенных коренными породами,

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1

Содержание

158

рыхлые донные наносы местами отсутствуют, но в основном тоже состоят из песка. В отдельных образцах присутствуют гравий и галька. Содержание глины в донных наносах ПБС всех типов берегов не превышает 5-6%.

Форма профиля ПБС наилучшим образом описывается степенной зависимостью

h = Axm

где h - глубина воды, х - расстояние от берега, А - параметр, зависящий от гранулометрического состава донных наносов и увеличивающийся с ростом их крупности, т - коэффициент формы профиля ПБС, отражающий характер рассеяния энергии волн на ПБС. Таким образом, уравнение (1) отражает известное положение о том, что форма профиля ПБС определяется гранулометрическим составом донных наносов и гидродинамическим воздействием волн.

Для четырех геологических видов берегов, перечисленных выше, были определены средние величины коэффициентов А и m и градиента медианного диаметра донных наносов dM по глубине на всех измеренных профилях.

Изложенные материалы в целом показывают, что распределение донных наносов на подводном склоне размываемых арктических берегов аналогично распределению, наблюдаемому в низких широтах. Большая часть алеврита, содержащегося в породах, слагающих берега, выносится из береговой зоны, что способствует отступанию берегов. В формуле (1) не только коэффициент А, но и коэффициент т, зависят от крупности наносов.

4. Анализ батиметрических измерений

Батиметрические измерения с целью исследования морфологии и динамики подводного берегового склона (ПБС) арктических морей проводились с 1999 по 2002 гг.

Трассы профилей ПБС для измерений выбирались на основе анализа навигационных карт различного масштаба и визуального осмотра берегов. Промеры глубин выполнялись портативным измерительным комплексом, установленным на лодке с подвесным мотором. Этот комплекс включал эхолот, и GPS. Все измерения выполнялись с интервалом в 1 секунду. Координаты записывались с точностью 0,0001 минуты, а глубины с точностью до 1 см. При скорости движения лодки 5 км/час глубины фиксировались через каждые 2 м пройденного лодкой расстояния.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1

Содержание

159

Навигация осуществлялась по заранее выбранному азимуту, наблюдаемому на дисплее компьютера. В процессе движения лодки стандартное отклонение от средней величины азимута находилось в пределах 4-6 градусов. Максимальные кратковременные отклонения достигали 20 градусов. Для графического построения измеренных профилей ПБС рассчитывались горизонтальные расстояния всех точек измерения глубин от начальной ближайшей к берегу точки измерений. Расчеты выполнялись с помощью компьютерной программы, любезно предоставленной Д.С. Дроздовым (Институт криосферы Земли РАН). Результаты вычислений проверялись по другой компьютерной программе, использующей прямой расчет по точным геодезическим формулам. Расхождения результатов вычислений по двум программам были ничтожными.

Для математического описания формы профиля ПБС использована компьютерная программа TableCurve 2D v5. Для имеющихся профилей были применены две функции, одна из которых приведена выше (1), а вторая - функция Боджа. Для степенной функции были получены результаты с высоким коэффициентом кореляции.

5. Заключение

Наличие профилей ПБС, измеренных в 1999-2002 гг., и батиметрических карт, составленных на основе промеров, выполненных от 16 до 43 лет назад, предоставляет возможность оценки динамики ПБС за эти годы. К сожалению, масштаб использованных карт и точность определения координат по GPS, обычно недостаточны для оценки смещений береговой линии. Но сравнение измеренных профилей с профилями, снятыми с батиметрических карт, нередко позволяет выявить изменения формы ПБС и соответственно количественно оценить размыв ПБС или аккумуляцию наносов в береговой зоне.

5. Литература

Шуйский Ю.Д. Типы берегов земного шара. - Одесса, 1979.

Сафьянов Г.А. Инженерно-геоморфологические иследования на берегах морей. - М.: МГУ, 1987.

Лонгинов В.В. Динамика береговой зоны бесприливных морей. - М.: Издательство АН СССР, 1963.

Леонтьев О.К. Никифоров Л.Г. и др. Геоморфология морских берегов. - М.: МГУ, 1975. Зенкович В.П. Основы учения о развитии морских берегов. - М.: Издательство АН СССР, 1962.

Арэ Ф.Э. Основы прогноза термоабразии берегов. - Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1985.

Felix E. Are Dynamics of littoral zone of arctic seas (State of the art and goals). -Polarforschung 64(3), 1996.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1

Содержание

160

Are, F.E., Hubberten, H.-W., Rachold V., Reimnitz, E., and Solomon, S. Mathematical description of erosional shoreface profiles in the Arctic seas. Terra Nostra, Heft 2002/3. Climate drivers of the North. Selbstverlag der Alfred-Wegener-Stiftung, Berlin, p. 2324., 2002.

Inman, D.L., Elwany, M.H. and Jenkins, S.A. Shore rise and bar-berm on ocean beaches. Journal of Geophysical Research, 98, p. 18 181-18 199, 1993.

УДК 691.33

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПРИ ТВЕРДЕНИИ АЛЮМОФОСФАТНЫХ СИСТЕМ

Е.В. Крюкова

Аннотация

В работе рассматривается управление электропроводностью алюмофосфатных материалов в зависимости от природы вводимого вещества - сульфатов бария и кальция. При этом предпосылкой является рассмотрение отношения радиуса катиона к радиусу аниона и электроотрицательности их взаимосвязи.

Ключевые слова: прочность, удельная электропроводность, сульфат бария, гипс, фосфатные системы, водонасыщение

Введение

В соответствии с представлениями об электронном строении твердого тела и природе связи, отражаемыми параметрами ширины запрещенной зоны АЕ, эВ, сульфат бария и сульфат кальция по своим свойствам являются диэлектриками (АЕ>3,5 эВ), в которых реализуется ионная природа химической связи. Г еометрические формы этих твердых кристаллических тел описываются с помощью отношения радиусов т^/та (соответственно, катионов и анионов), разницы электроотрицательностей катион-анион как меры степени ионности связи АХ, а также суммарного кристаллохимического критерия У. Пирсона rk/raAX. Рассматривая образование BaSO4 в модели ионных связей, соотношение rk и ra таково, что образуется насыщенная структура с высоким координационным числом по катиону, параметр У. Пирсона г^/гаАХ составляет 0,6...1,5. Структура BaSO4 плотноупакованная и поэтому может способствовать передаче заряда, т.е. должна действовать как металл в отличие от гипса, в

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1