Моделирование динамики галечного пляжа в огражденной акватории искусственного мыса аква-центра в г. Сочи

ВЕСТНИК

4/2013

УДК 551.435.322

Н.К. Макаров

ФГОУВПО «СГУ»

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ГАЛЕЧНОГО ПЛЯЖА В ОГРАЖДЕННОЙ акватории искусственного мыса АКВА-ЦЕНТРА В г. СОЧИ

При подготовке к проведению зимней Олимпиады 2014 г. в Сочи разработан проект реконструкции центральной Приморской набережной. В качестве одного из вариантов рассматривался проект создания нескольких искусственных мысов, включая наиболее крупный искусственный мыс с аква-центром. Одним из элементов этого мыса является искусственный галечный пляж, располагаемый в его морской части под защитой оградительных шпор. Размеры шпор, обеспечивающих динамическую устойчивость галечного пляжа, были определены методом математического моделирования. Моделирование динамики галечного пляжа в акватории искусственного мыса выполнялось по программам, разработанным при участии автора. Оно включало расчет элементов волн в штормах повторяемостью 1 раз за 50 лет от всех волноопасных направлений на глубокой воде, их рефракции и трансформации в прибрежной зоне моря, дифракции, рефракции и обрушения волн на внутренней акватории мыса, транспорта наносов и динамики пляжа. По результатам моделирования предложена оптимальная конфигурация оградительных шпор аква-центра.

Ключевые слова: ветровые волны, расчетный шторм, дифракция и рефракция волн, акватория искусственного мыса, оградительные шпоры, динамика галечного пляжа.

В рамках подготовки к зимней Олимпиаде 2014 г. в Сочи разрабатывался проект реконструкции центральной Приморской набережной между существующим портом Сочи и проспектом Пушкина (район цирка).

В качестве одного из вариантов реконструкции рассматривался вариант создания нескольких искусственных мысов, образующих замкнутые литоди-намические ячейки и позволяющих разместить на них объекты курортной инфраструктуры.

Наиболее крупный мыс с аква-центром предполагалось разместить в районе гостиницы «Жемчужина» (рис. 1). Мыс включает искусственную территорию под защитой оградительных сооружений, западный и восточный береговые пляжи, примыкающие к оградительным сооружениям, яхтную гавань и искусственный пляж шириной 30 м, располагаемый в искусственной бухте, образуемой оградительными сооружениями в виде двух шпор. Класс капитальности гидротехнических сооружений мыса был принят равным II.

Для обоснования конструкции и конфигурации сооружений искусственного мыса было выполнено математическое моделирование гидро- и литоди-намических процессов, включая динамику галечного пляжа (южного) в огражденной акватории мыса.

Рис. 1. Предпроектный эскиз генерального плана аква-центра

Моделирование динамики пляжа осуществлялось с целью определения минимальной длины оградительных шпор, обеспечивающих относительно равномерную ширину пляжа в акватории мыса под воздействием наиболее опасного шторма.

Для моделирования была разработана математическая модель акватории Черного моря, прилегающей к мысу (рис. 2), рассчитаны элементы волн в штормах повторяемостью 1 раз за 50 лет от волноопасных направлений, их рефракция и трансформация в прибрежной зоне моря (рис. 3).

Рис. 2. Отображение цифровой модели прибрежной зоны с мысом и аква-центром

ВЕСТНИК

МГСУ-

4/2013

Рис. 3. Рефракция волн в прибрежной зоне моря на подходах к искусственному мысу в штормах повторяемостью 1 раз за 50 лет от З, ЮЗ, Ю и ЮЮВ направлений

По результатам расчетов для моделирования динамики галечного пляжа в акватории мыса были приняты следующие элементы волн на входе: высота h30%= = 3,5 м, средняя длина X = 111 м, средний период Т = 8,4 с.

Динамика пляжа в искусственной огражденной акватории мыса моделировалась с использованием модели, разработанной при участии автора и реализованной в программных средствах.

Основными моделируемыми физическими процессами являются дифракция, рефракция и обрушение волн, а также транспорт наносов и деформации пляжа по периметру акватории.

Дифракция волн на акватории рассчитывалась по нормативной методике, модифицированной с целью учета рефракции и трансформации волн на переменной глубине [1].

Расчет высоты волн при обрушении в рамках нормативных и рекомендательных документов [2] производится по зависимостям вида

h

cr 1%

Y

(

gT

= f

d„

л

gT2

где — высота волны 1% обеспеченности в системе по линии обрушения; g — гравитационное ускорение; Т — период волны; й — глубина обрушения волны.

Эта зависимость в зоне малых относительных глубин й/^Т 2) < 1,5*10-3 и при крутых уклонах дна для высоты Нсг и глубины обрушения волн имеет вид

ксг = 0,ШСГ.

Основой для моделирования деформаций пляжа является фундаментальное уравнение сохранения массы вещества [3—5]:

dd_

1

дх ду

где й — глубина; ^ — время; п — коэффициент пористости грунта; х, у — оси координат; Qм — расход наносов.

Если принять, что в процессе шторма поперечный профиль пляжа остается постоянным, т.е. .дQL = о, то динамика береговой линии определяется толь-

ду

ко вдольбереговым транспортом наносов [6, 7].

В использованной в данной работе математической модели расход вдольбере-гового потока галечных наносов рассчитывался по методике, рекомендованной в [8], с учетом дифракции, рефракции, трансформации и обрушения волн.

Исходная ширина галечного пляжа в акватории мыса принималась равной 30 м, средняя крупность материала — 45 мм. При таких параметрах проектного пляжа объем исходной отсыпки составляет 480 м3 на 1 погонный метр берега или 125 тыс. м3 на весь пляж в искусственной акватории длиной 260 м.

В процессе моделирования варьировалась длина оградительных шпор искусственной акватории. Начальная длина шпор принималась равной 70 м (рис. 4).

ДЦ4РА*ЦПЯ НА ОГРАЖДЕННОЙ АЬВАТОР1Ш - (СХОДЯЩИЕСЯ ЫОЛЫ|

Рис. 4. Высоты волн по линии обрушения и динамика проектного пляжа на акватории аква-центра в расчетном шторме от ЮЮЗ направления при длине оградительных шпор по 70 м

Как видно из рис. 4, под воздействием расчетного шторма наблюдаются существенный размыв пляжа на флангах искусственной акватории и его аккумуляция в средней части. При этом возможно значительное волновое воздействие на оградительное сооружение на флангах акватории. Поэтому в дальнейшем производилось увеличение длины шпор на 10 м. Результаты моделирования приведены на рис. 5—7.

ДПФРАШИ НА иГРАЖДЕННчП АКВАТОРИИ - [СТСОДЯЩНВСЯ МОЛЫ]

Рис. 5. Высоты волн по линии обрушения и динамика проектного пляжа на акватории аква-центра в расчетном шторме от ЮЮЗ направления при длине оградительных шпор по 80 м

ВЕСТНИК

МГСУ-

4/2013

Рис. 6. Высоты волн по линии обрушения и динамика проектного пляжа на акватории аква-центра в расчетном шторме от ЮЮЗ направления при длине оградительных шпор по 90 м

Рис. 7. Высоты волн по линии обрушения и динамика проектного пляжа на акватории аква-центра в расчетном шторме от ЮЮЗ направления при длине оградительных шпор по 100 м

Из рис. 5—7 следует, что размеры шпор оказывают существенное влияние на динамику пляжа в искусственной акватории. По результатам расчетов было рекомендовано принять для проектирования длину шпор равной 90 м. При такой их длине пляж в расчетном шторме сохраняет относительно равномерную ширину. В то же время обеспечивается достаточный водообмен искусственной акватории с морем.

Таким образом, разработана комплексная математическая модель и реализующие ее программные средства для математического моделирования динамики галечных пляжей в огражденных акваториях, которые могут быть использованы для оптимизации конфигурации пляжеудерживающих сооружений.

Библиографический список

1. Макаров Н.К. Математическая модель динамики галечных пляжей искусственных островных комплексов // Гидротехника. 2012. № 2 (27). С. 84—87.

2. Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С., Завьялов В.К. Нагрузки и воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения. Ленинград : ВНИИГ, 1990. 432 с.

3. Kobayashi N., Hicks B., Figlus, J. Evolution of Gravel Beach Profiles. J. Waterway, Port, Coastal, Ocean Eng. 2011. 137(5), pp. 258—262.

4. Austin M.J., Masselink G. 2006. Swash-groundwater interaction on a steep gravel beach. Continental Shelf Research. 2006. 26 (20), pp. 2503—2519.

5. Anthony E.J. Gravel beaches and barriers. Developments in Marine Geology. 2008. Vol. 4, pp. 289—324.

6. Damgaard J.S. and Soulsby R.L. Longshore bed-load transport. 1996. Proceedings of the 25th International Conference on Coastal Engineering, American Society of Civil Engineers.

7. Леонтьев И.О. Моделирование штормовых деформаций профиля галечного пляжа // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2011. Vol. 7, Issue 2, pp. 90—97.

8. Рекомендации по проектированию и строительству свободных галечных пляжей. М. : ЦНИИС, 1988. 85 с.

Поступила в редакцию в феврале 2013 г.

Об авторе: Макаров Николай Константинович — аспирант кафедры городского строительства, ФГБОУ ВПО «Сочинский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «СГУ»), 354000, г. Сочи, ул. Советская, д. 26 а, ktk99@mail.ru.

Для цитирования: Макаров Н.К. Моделирование динамики галечного пляжа в огражденной акватории искусственного мыса аква-центра в г. Сочи // Вестник МГСУ 2013. № 4. С. 160—166.

N.K. Makarov

DYNAMIC MODELING OF A GRAVEL BEACH IN THE PROTECTED WATER AREA OF THE ARTIFICIAL CAPE OF AN AQUA CENTRE IN SOCHI

Design of Primorskaya Embankment restructuring was developed within the framework of the city's preparation for 2014 Winter Olympics. Construction of several artificial capes, including the largest artificial cape with an aqua centre, was considered as one of design options. One element of the cape is an artificial gravel beach arranged in the seashore area and protected by barrier spurs. Dimensions of spurs to assure the dynamic stability of the gravel beach were identified using mathematical modeling methods. Modeling of the dynamic behaviour of the gravel beach in the area of the artificial cape was performed using the software co-designed by the author. The software is capable of analyzing wave elements in the event of storms that may recur once in 50 years, and the software is capable of analyzing waves coming from any possible directions in the deep waters, wave refraction and transformation in the near-shore area, diffraction, refraction, and wave breaking in the inner area of the cape, sediment drifting pattern and dynamic behaviour of the beach. The optimum configuration of protective structures designated for the aqua centre is proposed on the basis of the modeling results.

Key words: wind waves, sediment, storm, diffraction and refraction of waves, water area of an artificial cape, protective spurs, dynamic behaviour of a gravel beach.

References

1. Makarov N.K. Matematicheskaya model' dinamiki galechnykh plyazhey iskusstven-nykh ostrovnykh kompleksov Mathematical Model of Dynamic Behaviour of Gravel Beaches of Artificial Islands]. Gidrotekhnika [Hydraulic Engineering]. 2012, no. 2(27), pp. 84—87.

2. Lappo D.D, Strekalov S.S., Zav'yalov V.K. Nagruzki i vozdeystviya vetrovykh voln na gidrotekhnicheskie sooruzheniya [Effects and Loads of Wind Waves on Hydraulic Structures]. Lennigrad, VNIIG Publ., 1990, 432 p.

ВЕСТНИК AI-iMt.

4/2013

3. Kobayashi N., Hicks B., Figlus, J. Evolution of Gravel Beach Profiles. J. Waterway, Port, Coastal, Ocean Eng. 2011, 137(5), pp. 258—262.

4. Austin M.J., Masselink G. 2006. Swash-groundwater Interaction on a Steep Gravel Beach. Continental Shelf Research. 2006, 26(20), pp. 2503—2519.

5. Anthony E.J. Gravel Beaches and Barriers. Developments in Marine Geology, 2008, vol. 4, pp. 289—324.

6. Damgaard J.S. and Soulsby R.L. Longshore Bed-load Transport. 1996. Proceedings of the 25th International Conference on Coastal Engineering, American Society of Civil Engineers.

7. Leont'ev I.O. Modelirovanie shtormovykh deformatsiy profilya galechnogo plyazha [Modeling of Strom-induced Deformations of a Gravel Beach Profile]. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2011, vol. 7, no. 2, pp. 90—97.

8. Rekomendatsii po proektirovaniyu i stroitel'stvu svobodnykh galechnykh plyazhey [Recommendations for Design and Construction of Unrestricted Gravel Beaches]. Moscow, TsNIIS Publ., 1988, 85 p.

About the author: Makarov Nikolay Konstantinovich — postgraduate student, Department of Urban Development, Sochi State University (SGU), 26a Sovetskaya St., Sochi, 354000, Russian Federation; ktk99@mail.ru; +7 (862) 253-12-66.

For citation: Makarov N.K. Modelirovanie dinamiki galechnogo plyazha v ograzhdennoy akvatorii iskusstvennogo mysa akva-tsentra v g. Sochi [Dynamic Modeling of a Gravel Beach in the Protected Water Area of the Artificial Cape of an Aqua Centre in Sochi]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 4, pp. 160—166.