Геологические и геоморфологические факторы

При строительстве портов весьма важно знать геологическую структуру берегов и условия залегания пластов. Особенно опас­ны высокие речные (и морские) берега, на которых, ввиду небла­гоприятного напластования грунтов, проявляются оползневые явления, Причина этого - наличие наклоненных в сторону реки подстилающих верхние грунты водоупорных слоев, по которым и скользят расположенные выше массы грунта. Остановить движение оползневых масс грунта при значительном их объеме и большой высоте берега иногда весьма трудно и требуются дорогостоящие работы по глубокому дренированию берега, уположиванию откосов и перераспределе­нию земляных масс. Поэтому, как правило, при выборе места для постройки портовых сооружений избегают таких мест и стремятся найти более устойчивые участки берега.

Огромное значение для портостроения имеет переформирова­ние берегов под действием климатических и гидрологических фак­торов, из которых влияние последних проявляется в значительной степени.

На реках основной причиной, вызывающей переформирование берегов, является течение. Большинству равнинных рек свойствен­на извилистая меандрическая форма русла. Если река, развивая извилистость, подойдет к участкам долины, сложенным слабо размываемыми породами, то излучины перестают увеличи­ваться и начинают сползать вниз по течению, сохраняя свою фор­му. Если же поток не стеснен склонами долины, то излучины превращаются в петли с хорошо выраженными пере­шейками. В случаях, когда при высоких уровнях вода свободно переливается через перешеек излучины, даже при большой его ширине может произойти прорыв перешейка с резким изменением русла.

Характер изменения русла реки легко устанавливается сопос­тавлением топографических планов за различные годы. Если имеет­ся тенденция к изменению русла, то необходимо предусматри­вать мероприятия, закрепляющие его в районе порта.

На водохранилищах и морях основной причиной изменения бе­регов в плане является волнение, которое стремится сгладить рез­кие неровности берега и образовать плавную прямую береговую линию. Когда вол­ны накатываются на берег, они выносят на него, на некоторую высоту от уреза воды, частицы грунта. Обратное скатывание твер­дых частиц вместе со струями воды происходит по линии наиболь­шего ската, нормально к линии уреза. Нетрудно заметить, что при этом на выпуклом берегу будет происходить рассеивание частиц и, следовательно, можно ожидать его размыва; на вогнутом берегу, наоборот, будет возникать намыв, а при прямолинейном очерта­нии берега и подходе фронта волн под некоторым углом к бере­гу - транзит наносов.

Действительный характер воздействия волн отличается от этой примитивной схемы ввиду описанного выше явления рефракции волн, но следует заметить, что рефракция, концентрируя энергию волн на выступающих частях берега, лишь способствует процес­су выравнивания берегов. На морских побережьях этот процесс за многие тысячелетия в основном уже завершился. Лишь на от­дельных участках происходит сравнительно небольшой размыв берега с интенсивностью около 1 - 2 м в год.

Иначе протекает процесс на вновь образуемых водохранили­щах. Здесь в некоторых случаях возможен размыв выступающих частей суши с интенсивностью до 100-150 м в год. При любом строительстве на таких берегах необходимо тщательное изучение процесса переформирования берега путем организации наблюде­ний я его прогнозирование на основе соответствующих расчетов.

Пологий песчаный характеризуется профи­лем динамического равновесия, который зависит от крупности фракций грунта, слагающих берег, и интенсивности волнения и те­чений. Если первоначальный уклон дна больше того, который свойствен профилю динамического равновесия (при данных конк­ретных условиях), то происходит интенсивный размыв берега. В случае, когда первоначальный уклон меньше этого “критическо­го” значения - берег намывается. Такого рода переформирования берега весьма часто происходят на водохранилищах, тогда как на морских побережьях этот процесс, как правило, уже закончен. На отдельных участках Балтийского побережья, а также на побережье Бельгии и Франции, дюны тянутся на десятки километ­ров, охватывая прибрежные полосы большой ширины (до несколь­ких километров). Высота песчаных валов, обычно не превышаю­щая нескольких метров, доходит до 100 м, и в этом случае их за­крепление является уже сложной инженерной проблемой.

Крутой профиль характерен для берега из плотных, метаморфических или осадочных пород. Под совместным действием волнений, течений, ветров и замерзания воды, прони­кающей в расщелины, изменяется первоначальное положение коренного бере­га. Всякое строительство на пляже, находящемся в динамическом равновесии, воз­можно только при защите бе­рега от действия волн. Если же такого ограждения не делается, то сооружения должны раз­мещаться обязательно за пределами изменяющейся части пляжа.

Движение наносов является одним из важных факторов, влияющих как на строительство, так и на эксплуатацию портов. Движение наносов непосредственно связано с явлением перефор­мирования берегов и течениями. Речной поток всегда несет какое-то количество взвешенных и влекомых донных наносов. Всякое вмешательство в жизнь реки при строительстве портов приводит к изменению режима движения воды и наносов, с образованием в одних местах зон с более высокими скоростями движения, а в других - зон с пониженными скоростями. Соответственно в пер­вом случае возможен размыв русла, а во втором неизбежно отло­жение наносов. По длине реки в верхней ее части в общем преоб­ладает явление размыва и насыщения потока наносами, в ниж­ней, с падением уклонов и скоростей течения, более характерно выпадение наносов. Процесс выпадения наносов наиболее интен­сивен в устьях рек. При впадении реки в залив резко уменьшают­ся скорости течения, что сопровождается осаждением взвешенных и донных частиц. В результате такого осаждения наносов перед устьем реки образуется обширное мелководье, называемое усть­евым баром. С течением времени мели поднимаются, образуя острова, речные воды, стремясь к морю, промывают в них про­токи, создавая многочисленные разветвления. Образуется обшир­ное пространство треугольной формы в плане, состоящее из мно­гочисленных островов, рукавов, боковых проток, отделившихся озер. Такие устья называются дельтами и занимают об­ширные площади в несколько тысяч квадратных километров. Так, дельта Волги имеет по основанию 120 км, по длине 200 км и площадь более 12000 км², дельта Северной Двины имеет в основании 50 км и длину 50 км, Санкт-Петербург располагается на многочисленных островах дельты р. Невы. Нижняя граница дельты не­постоянна: при половодье дельта про­двигается в море, затем волнение раз­мывает отложения наносов, а течения переносят их вдоль побережья.

Морские волны и их классификация

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

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 1,2 Н до 1,5 Н) 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