Ακτομηχανική & Παράκτια Έργα 3/26/2012. Λεξιλόγιο Ανάλογα με την απόσταση από την ακτή. Σειρά V 2. Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 1

Transcript

1 Λεξιλόγιο Ανάλογα με την απόσταση από την ακτή Σειρά V 2 Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 1

2 Λεξιλόγιο Ανάλογα με την απόσταση από την ακτή Backshore region: Οπίσθιο τμήμα ακτής: Μέρος της ακτής που καλύπτεται από τη θάλασσα σε υψηλές παλίρροιες ή σε ακραίες καταιγίδες. Foreshore region: Εμπρόσθιο τμήμα ακτής: Μέρος της ακτής που καλύπτεται και αποκαλύπτεται κατά κανόνα από τη θάλασσα κατά τη διάρκεια παλιρροιών. Σε μία περιοχή χωρίς παλίρροιες αυτή η περιοχή είναι μια πολύ στενή λωρίδα ακτής μεταξύ των παφλασμών των κυμάτων. Nearshore region: Παράκτια ζώνη: Ανάντη της foreshore μέχρι βάθος τέτοιο που σχεδόν να μην λαμβάνει χώρα μετακίνηση κόκκων. Offshore region: Υπεράκτιες περιοχές, Ζώνη πελάγους ή ανοικτή θάλασσα. Σειρά V 3 Λεξιλόγιο Ανάλογα με την θραύση των κυματισμών Σειρά V 4 Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 2

3 Λεξιλόγιο Ανάλογα με την θραύση των κυματισμών Surf or Breaker zone: Ζώνη αφρισμού ή θραύσης. Εκτείνεται από την πιο ανάντη περιοχή θραύσης μέχρι και τη ζώνη παφλασμού. Κινείται με την παλίρροια και το πλάτος της εξαρτάται από τις κυματικές συνθήκες. Swash zone: Ζώνη πάφλασμού. Η ζώνη που εναλλακτικά καλύπτεται ή όχι από τον κυματισμό. Σειρά V 5 Το φαινόμενο της μετακίνησης των φερτών Τεράστιες ποσότητες κοκκόδως υλικού του πυθμένα κινούνται στον χώρο των ακτών κάτω από την αποσταθεροποιητική δράση των κυματισμών και την μεταφορική ικανότητα των ρευμάτων Χειμώνας: Εύκολος κορεσμός εδαφικής μάζας Όση μάζα νερού έρχεται τόση φεύγει Καλοκαίρι: Αργή κίνηση κυμάτων, Περίοδος, Ροή επιστροφής φερτών πολύ μικρή «Χτίζεται» η παραλία, Δεν επέρχεται κορεσμός και προλαβαίνουν τα φερτά να εναποτεθούν στην παραλία Σειρά V 6 Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 3

4 Το φαινόμενο της μετακίνησης των φερτών Τα παράκτια τεχνικά έργα διαταράσσουν την προϋπάρχουσα δυναμική φυσική ισορροπία. Στόχος η φυσική κατανόηση και η ποσοτική περιγραφή της επίδρασης των έργων στην μορφολογία των ακτών (στο πλαίσιο των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των έργων). Δεν πρέπει να επεμβαίνουμε άσκοπα Σε περίπτωση που το τεχνικό έργο δεν είναι σχεδιασμένο σωστά το ενδεχόμενο της αποξύλωσης είναι ίσως λιγότερο δαπανηρό από τις συνεχείς διορθώσεις. Σειρά V 7 Μηχανισμοί μεταφοράς φερτών Οι δυνάμεις κοντά στο όριο του πυθμένα υπό την επίδραση κυμάτων ή/και ρευμάτων αποτελούν τον κύριο λόγο αποσταθεροποίησης των κόκκων του ιζήματος. Η ισορροπία δυνάμεων σε επίπεδο κόκκου είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη. Βασικές παράµετροι: Διατμητική τάση πυθμένα [τ b ] Κρίσιμη διατμητική τάση πυθμένα [τ bcr ] Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 4

5 Μηχανισμοί μεταφοράς φερτών Βασικές παράμετροι: Διατμητική τάση πυθμένα [τ b ] Κρίσιμη διατμητική τάση πυθμένα [τ bcr ] Ταχύτητα ροής (ρεύμα-κύμα) Τριβές πυθμένα Διάμετρος κόκκου Υλικό πυθμένα τ b >τ bcr Ενεργοποίηση ιζήματος Κατώφλι κίνησης (εμπειρικές σχέσεις) Μηχανισμοί μεταφοράς φερτών Μεταφορά λόγω ρευμάτων Φορτίο σε αιώρηση [q s ] Μεταφορά λόγω κυμάτων Φορτίο πυθμένα [q b ] Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 5

6 Μηχανισμοί μεταφοράς φερτών Μορφή πυθμένα Επίπεδος πυθμένας ή Αμμοκυμάτια Μηχανισμοί μεταφοράς φερτών Βασικές παράμετροι: Διατμητική τάση πυθμένα [τ b ] Κρίσιμη διατμητική τάση πυθμένα [τ bcr ] Ταχύτητα ροής (ρεύμα-κύμα) Τριβές πυθμένα Διάμετρος κόκκου Υλικό πυθμένα τ b >τ bcr Ενεργοποίηση ιζήματος Κατώφλι κίνησης (εμπειρικές σχέσεις) Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 6

7 Μηχανισμοί μεταφοράς φερτών Μετά την ενεργοποίηση του ιζήματος το υλικό μπαίνει σε αιώρηση είτε κοντά στον πυθμένα ή στη στήλη. ανταλλαγές μεταξύ φορτίου πυθμένα και αιώρησης απόθεση επαναιώρηση διάβρωση ισορροπία δυνάμεων: μεταφορά, διασπορά, καθίζηση Μηχανισμοί μεταφοράς φερτών Μεταφορά φερτών υλών Παράλληλα με την ακτή Εγκάρσια προς την ακτή Λόγω αύξησης τύρβης και ανάπτυξης του παράκτιου ρεύματος λόγω λοξής θραύσης Εκτείνεται σε όλο το πλάτος της ζώνης θραύσης Χειμερινό προφίλ κυματισμών: Κυματισμοί μεγάλης καμπυλότητας (H/L) διάβρωση μετώπου ακτής δημιουργία επιμήκους υφάλου Θερινό προφίλ κυματισμών: Κυματισμοί μικρής καμπυλότητας (H/L) επαναφορά υλικού στην υπαέρια παραλία μείωση υφάλου Ποσοτικοποίηση στερεομεταφοράς: Εμπειρικές σχέσεις, μαθηματικά μοντέλα Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 7

8 Μεταφορά φερτών εγκάρσια στις ακτές Μορφολογία παράκτιας ζώνης Μεταφορά φερτών εγκάρσια στις ακτές Προφίλ ταχυτήτων μέσα στη ζώνη θραύσης Ρεύμα επιστροφής (undertoe) Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 8

9 Χειμερινό προφίλ κυματισμών Μεταφορά υλών εγκάρσια στις ακτές Μεταφορά φερτών εγκάρσια στις ακτές Εμπειρικές σχέσεις αποτίμησης διάβρωσης/απόθεσης Σχέση Dean: Σχέση Samura-Horikawa: Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 9

10 Μεταφορά φερτών παράλληλα στις ακτές Εκτίμηση στερεομεταφοράς στην πράξη Ανεμολογικά δεδομένα Αποτελεσματικό μήκος ανάπτυξης κυματισμών Πρόγνωση κύματος [Η ο,τ] Αναλυτική επίλυση: Υπολογισμός στοιχείων θραυόμενου κύματος Υπολογισμός Qi για όλους τους ανέμους Ολική ετήσια στερεοπαροχή Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 10

11 Αλληλεπίδραση ακτών και παράκτιων έργων Κατεύθυνση μεταφοράς φερτών Διατμητική τάση λόγω ρεύματος 1. Διάγραμμα Shields Τ=g(ρ s -ρ w )Α θ cr d Κόκκος F=τΑ Πυθμένας τ = Δύναμη F/ Επιφάνεια Α (1) Διατμητική τάση που ασκείται στην επιφάνεια του πυθμένα εκ μέρους του κινούμενου ρευστού Υπεύθυνη για την μετακίνηση των κόκκων Αν υπερβεί μια συγκεκριμένη τιμή (οριακή τιμή κατωφλίου) κόκκοι κινούνται Σειρά V 22 Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 11

12 Διατμητική τάση λόγω ρεύματος 1. Διάγραμμα Shields Τ=g(ρ s -ρ w )Α θ cr d Κόκκος F=τΑ Πυθμένας τ = Δύναμη F/ Επιφάνεια Α (1) Για να μετακινηθεί κόκκος διαμέτρου d, θα πρέπει F>T: τριβή Τ=(Βάρος Άνωση)* συντελεστής τριβής Τ= g(ρ s -ρ w )Α θ cr d (2) όπου θ cr : συντελεστής τριβής ρ s,ρ w : πυκνότητα υλικού και νερού Σειρά V 23 Διατμητική τάση λόγω ρεύματος 1. Διάγραμμα Shields τ = Δύναμη F/ Επιφάνεια Α Για να μετακινηθεί κόκκος διαμέτρου d, θα πρέπει F>T: τριβή Τ=(Βάρος Άνωση)* συντελεστής τριβής Τ= g(ρ s -ρ w )Α θ cr d (2) όπου θ cr : συντελεστής τριβής ρ s,ρ w : πυκνότητα υλικού και νερού Για να μην έχω μετακίνηση Τ>F ή (3) Η ποσότητα (4) ονομάζεται παράμετρος Shields Άρα πρέπει: (5) Η οριακή τάση θ cr δίνεται από το διάγραμμα Shields Σειρά V 24 Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 12

13 Διατμητική τάση λόγω ρεύματος 1. Διάγραμμα Shields Σειρά V 25 Διατμητική τάση λόγω ρεύματος 1. Διάγραμμα Shields, Soulsby-Whitehouse (1997) Οι Soulsby-Whitehouse συμπλήρωσαν το διάγραμμα αυτό με στοιχεία από τη θαλάσσια ροή για κύματα, ρεύματα και συνδυασμό ρευμάτων και κυματων. Προτείνουν την ακόλουθη αναλυτική έκφραση: όπου =αδιάστατη παράμετρος κόκκων (7) (8) και ν= κινηματικό ιξώδες= m 2 /s. Έχει βρεθεί θεωρητικά ότι την εξίσωση των S- W. Σειρά V 26 (6) (9) το οποίο συμφωνεί με Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 13

14 Διατμητική τάση λόγω ρεύματος 1. Διάγραμμα Shields, Soulsby-Whitehouse (1997) Για >200, θ cr παραμένει σταθερή και ίση με θ cr = Καθορίζουμε έτσι την κρίσημη διάμετρο d cr για την οποία εξασφαλίζεται η ακινησία των κόκκων. Για μέση τιμή ρεύματος (6) (7) και εφόσον d cr >10mm (10) Σειρά V 27 Διατμητική τάση λόγω ρεύματος 1. Διάγραμμα Shields, Soulsby-Whitehouse (1997) Εξ ορισμού είναι: (10) (11) όπου h το ολικό βάθος του νερού, και U(z) ταχύτητα ρεύματος στο βάθος z z h U(z) Σειρά V 28 Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 14

15 Η διατμητική τάση στην περιοχή του πυθμένα: όπου u * ταχύτητα τριβής. Η ταχύτητα αυτή δεν έχει φυσική σημασία αλλά εισάγεται για διευκόλυνση των υπολογισμών Η ταχύτητα U πολύ κοντά στον πυθμένα ακολουθεί λογαριθμική κατανομή όπου κ=0.4 (σταθερά von Karman) και z o μήκος τραχύτητας πυθμένα 2. Υπολογισμός Διατμητικής Τάσης 2.1 Επίπεδος Πυθμένας, 1 ος τρόπος (12) (13) Σε περίπτωση πλήρως τυρβώδους ροής (14) και = φυσική τραχύτητα κατά Nikuradse Για επίπεδο πυθμένα: (15) Από (14)+(15) (16) Με επαρκείς μετρήσεις της ταχύτητας κοντά στον πυθμένα προσδιορίζεται η u * μέσω της (13) και στην συνέχεια η διατμητική τάση μέσω της (12). Σειρά V 29 Η διατμητική τάση προσδιορίζεται μέσω της μέσης ταχύτητας ως εξής: (17) 2. Υπολογισμός Διατμητικής Τάσης 2.1 Επίπεδος Πυθμένας, 2 ος τρόπος Αν θεωρήσουμε ότι η (13) ισχύει σε όλο το βάθος και όχι μόνο στον πυθμένα τότε: συρτικός συντελεστής τριβής στον πυθμένα (18) (19) Αν δεν έχουμε αρκετές πληροφορίες λαμβάνουμε Σειρά V 30 Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 15

16 2. Υπολογισμός Διατμητικής Τάσης 2.1 Επίπεδος Πυθμένας, 3 ος τρόπος Η διατμητική τάση προσδιορίζεται μέσω της ταχύτητας, δηλαδή ταχήτητα ρεύματος σε απόσταση 1m πάνω από την επιφάνεια του πυθμένα: (20) Σειρά V 31 Η διατμητική τάση τ που είδαμε μέχρι τώρα τη λέμε διατμητική τάση επιφανείας. Βασικό στοιχείο για τον υπολογισμό όπως είδαμε είναι το z o μήκος τραχύτητας πυθμένα Εάν ο πυθμένας δεν είναι επίπεδος (π.χ. αμμοκυμάτια ή μεγαλύτερες αμμοκυματοκορυφές) τότε ενισχύεται η επιβαλλόμενη υδροδυναμική δύναμη και η αντίστοιχη διατμητική τάση. Η πρόσθετη διατμητική τάση αναφέρεται σαν διατμητική τάση σχήματος. 2. Υπολογισμός Διατμητικής Τάσης 2.2 Μη Επίπεδος Πυθμένας Τότε το μήκος τραχύτητας z o θα είναι (21) = μήκος τραχύτητας λόγω διάτμησης = «σχήματος Από (16) Στην περίπτωση των αμμοκυματίων: (22) όπου, μήκος, ύψος αμμοκυματίων και αριθμητικός συντελεστής μεταξύ 0.3 και 3, με συνήθη τιμή το 1., (23, 24) Εναλλακτικά χρησιμοποιούμε πίνακα 1. Σειρά V 32 Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 16

17 Διατμητική τάση λόγω ρεύματος Διάγραμμα Soulsby Σειρά V 33 Παράδειγμα υπολογισμού 1 Σε παράκτια περιοχή παρατηρείται ρεύμα παράλληλο προς τις ακτές με μέση κατά το βάθος ένταση 8m/s και συχνότητα εμφάνισης 30 ημέρες το χρόνο. Από την κοκκομετρική ανάλυση εδαφικού δείγματος του πυθμένα της περιοχής, προέκυψε ότι d 50 =1mm. (α) Να διαπιστωθεί εάν το ρεύμα είναι ικανό να μετακινήσει το υλικό του πυθμένα Λύση: Υπολογισμός οριακής παραμέτρου (κατωφλίου) θ cr, ν= m 2 /s, Άρα: =2.03 Άρα =0.089 Σειρά V 34 Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 17

18 Παράδειγμα υπολογισμού 1 Λύση συνέχεια: Υπολογισμός παραμέτρου θ Αν δεν έχουμε αρκετές πληροφορίες λαμβάνουμε =0.0025*0.8 2 =0.0016, τ=0.0016*1.027= κν=1.6432ν Άρα =0.103 > θ cr. Άρα θα παρατηρηθεί μετακίνηση φερτών πυθμένα. Σειρά V 35 Μεταφερόμενο φορτίο λόγω ρεύματος 1. Φορτίο Πυθμένα Χρησιμοποιείται ο τύπος του Nielsen (1992) (25) όπου Φ, η αδιάστατη τιμή του φορτίου δηλ. (26) και q b το φορτίο πυθμένα σε m 3 /s ανά μονάδα εγκάσιου πλάτους, δηλ. m 3 /s/m Σειρά V 36 Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 18

19 Παράδειγμα υπολογισμού 1 (συνέχεια) (β) Εάν διαπιστωθεί ότι το ρεύμα είναι ικανό να μετακινήσει το υλικό του πυθμένα, τότε να προσδιοριστεί το μετακινούμενο φορτίο πυθμένα. (γ) Εάν το ρεύμα κινείται κάθετα προς τον άξονα του διαύλου εισόδου σε λιμένα, εύρους 150m και βάθους 9m, να διαπιστωθεί εάν θα δημιουργηθεί πρόβλημα από τα μετακινούμενα φερτά, δεδομένου ότι το ωφέλιμο βάθος του διαύλου δεν πρέπει να είναι μικρότερο από τα 8m. 0,8m/s Ρεύμα Δίαυλος 150m Σειρά V 37 Παράδειγμα υπολογισμού 1 (συνέχεια) (β) Το μεταφερόμενο φορτίο q b θα προσδιοριστεί από τον τύπο του Nielsen. Σειρά V 38 Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 19

20 Παράδειγμα υπολογισμού 1 (συνέχεια) (γ) Εάν το ρεύμα θεωρηθεί σταθερό, τότε σε ένα χρόνο από μία διατομή εγκάρσιου πλάτους 1m, θα διέλθουν 30*24*3600*q b = 30*24*3600* =17.4m 3 Υποθέτοντας ότι τα φερτά υλικά διαστρώνονται ομοιόμορφα στον πυθμένα του διαύλου, κάθε χρόνο προκαλείται απόφραξη του βάθους κατά 17.4/150=0.116m και επομένως το βάθος θα μειωθεί κάτω από το όριο των 8m έστερα από (9-8)/0.116=8.6~9 χρόνια Σειρά V 39 Ματσούκης, Π.Φ., «Λιμενικά Έργα Εφαρμογές», Διδακτικές Σημειώσεις, ΔΠΘ Κουτίτας, Χ., «Εισαγωγή στην παράκτια Τεχνική και τα Λιμενικά Έργα», ΑΠΘ, Εκδόσεις Ζήτα, Θεσσαλονίκη Swan, C., «Coastal Engineering», Lecture Notes, Imperial College, London. Καραμπάς, Θ., «Ακτομηχανική», Διδακτικές Σημειώσεις, Πανεπιστήμιο Αιγαίου Κρεστενίτης, Ι., Διδακτικές Σημειώσεις, ΕΑΠ Σειρά V 40 Δρ. Βασιλική Κατσαρδή 20