ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΙΕΙΣ ΥΣΗΣ ΑΠΟ ΑΓΩΓΟ ΑΝΑΝΕΩΣΗΣ Υ ΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΥΠΗΝΕΜΗ ΠΛΕΥΡΑ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Transcript

1 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΙΕΙΣ ΥΣΗΣ ΑΠΟ ΑΓΩΓΟ ΑΝΑΝΕΩΣΗΣ Υ ΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΥΠΗΝΕΜΗ ΠΛΕΥΡΑ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΗ Ι. Μονιούδη, Περιβαλλοντολόγος, Μ Ε, Ε.Μ.Π. Α. Ακύλας, Μεταλλειολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π., Μ Ε, Ε.Μ.Π. Β.Κ. Τσουκαλά, Λέκτορας Ε.Μ.Π. Α. Στάμου, Αν. Καθηγητής Ε.Μ.Π. Κ.Ι. Μουτζούρης, Καθηγητής E.M.Π, ιευθυντής Ε.Λ.Ε. Εργαστήριο Λιμενικών Έργων (Ε.Λ.Ε.) Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Ηρώων Πολυτεχνείου 5, Ζωγράφου gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η κατασκευή παράκτιων τεχνικών έργων και ιδίως λιμένων και τουριστικών καταφυγίων αλλοιώνει το φυσικό περιβάλλον, επιφέροντας σημαντικές επιπτώσεις στα παράκτια οικοσυστήματα αλλά και υποβαθμίζοντας την ποιότητα των υδάτων όχι μόνο στο εσωτερικό του έργου αλλά και στην ευρύτερη περιοχή. Έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι βελτίωσης της ποιότητας των νερών στην περιοχή των παράκτιων έργων. Μια τεχνικά εύκολη και ταυτόχρονα οικονομική μέθοδος, που χρησιμοποιείται συχνά, είναι η διάνοιξη στομίων ή κατασκευή αγωγών (αγωγών ανανέωσης) σε χαρακτηριστικές θέσεις των εξωτερικών λιμενικών έργων που επιτρέπουν τη διείσδυση εξωτερικών υδάτων στο εσωτερικό των έργων με αποτέλεσμα (α) τη μείωση του χρόνου ανανέωσης των υδάτων και (β) τη βελτίωση της ποιότητας τους. Παράλληλα όμως προκαλείται αύξηση της κυματικής διαταραχής στο εσωτερικό των έργων, που δυσχεραίνει τη λειτουργικότητά τους και τη ναυσιπλοΐα. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται αποτελέσματα από μετρήσεις που διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Λιμενικών Έργων (Ε.Λ.Ε.) του Ε.Μ.Π. με σκοπό τη μελέτη της διάδοσης της κυματικής διαταραχής από την προσήνεμη πλευρά κυματοθραύστη από φυσικούς ογκολίθους, με κεκλιμένο πρανές, προς την υπήνεμη πλευρά, μέσω αγωγού ανανέωσης υδάτων. Πιο συγκεκριμένα, διεξήχθησαν μετρήσεις μεταβάλλοντας το ύψος και το πλάτος του αγωγού με σκοπό τη διερεύνηση της επίδρασης των γεωμετρικών του χαρακτηριστικών στο ποσοστό του διεισδύοντος κυματισμού. Επίσης παρουσιάζονται αποτελέσματα από τη σύγκριση των μετρήσεων της παρούσας εργασίας με εκείνες άλλων πειραματικών εργασιών που έχουν διεξαχθεί σε φυσικό προσοσομοίωμα λιμένα στην τρισδιάστατη δεξαμενή πειραματικών δοκιμών

2 του Ε.Λ.Ε. καθώς και σε προσομοίωμα κυματοθραύστη με κατακόρυφο πρανές στη διώρυγα κυματισμών του Ε.Λ.Ε. Από τις συγκρίσεις αυτές προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα για την επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της παράκτιας κατασκευής (χαρακτηριστικά του αγωγού ανανέωσης και κλίση πρανούς) στη διάδοση των κυματισμών.

3 INVESTIGATION OF WAVE TRANSMISSION THROUGH A RENEWAL PIPE AT BREAKWATERS I. Monioudi, Environmentalist, MSc, N.T.U. A. A. Akylas, Mineralogist engineer N.T.U.A., MSc, N.T.U.A. V.K. Tsoukala, Lecturer, N.T.U.A. A. Stamou, As. Professor, N.T.U.A C.I. Moutzouris, Professor, N.T.U.A., Director of L.H.W. Laboratory of Harbour Works (L.H.W.), School of Civil Engineering, National Technical University of Athens (N.T.U.A) 5 Iroon Polytechniou Str., Zografou, Greece V.Tsoukala@hydro.civil.ntua. gr ABSTRACT An important aspect in harbour design is the water quality within the basin, which critically depends upon the water exchange between the harbour and the surrounding water body. Various methods have been developed in order to improve the water quality in the area of coastal structures. A fast and economic method, that is often used, is the construction of renewal pipes. Installation of renewal pipes through the harbour protective structures could improve the natural harbour circulation and flushing. The appropriate shape and location of the renewal pipes should be determine in order to obtain water circulation without excessive wave penetration inside the harbour basin. In the present work physical model tests were carried out in the wave flume of the Laboratory of Harbour Works of N.T.U.A. (Fig. 2), aiming the investigation of wave transmission through a renewal pipe in a ruble-mound breakwater (Fig. 1). Measurements were carried out for different heights and widths of the renewal pipe (Table 1, 2). The wave transmission coefficient KT was calculated as the ratio of the transmitted wave height (Ht) to the incident wave height (Hi). From the experimental analysis KT is found to decrease with the decrease of the non-dimensional steepness parameter Ηi/gT 2. It is also arise that KT increase with the increase of the renewal pipe s height (Fig4). Comparison of the present measurements with results of experimental studies in a physical model of breakwater with vertical slope (Fig. 6) as well as in a harbour physical model (Fig. 7), are also presented.

4 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για την αντιμετώπιση της υποβάθμισης της ποιότητας των υδάτων στο εσωτερικό των παράκτιων έργων, έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα, διάφορες μέθοδοι εκ των οποίων, η κατασκευή αγωγών ανανέωσης παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω μηδενικού κόστους λειτουργίας και συντήρησης και σχετικά μικρού κόστους κατασκευής (Stamou et al., 2004; Herrington et al., 2006). Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της διάδοσης της κυματικής διαταραχής στην υπήνεμη πλευρά κυματοθραύστη μέσω αγωγού ανανέωσης υδάτων και συγκεκριμένα της επίδρασης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της παράκτιας κατασκευής (χαρακτηριστικά του αγωγού ανανέωσης και κλίση του πρανούς του κυματοθραύστη) στο ποσοστό του διεισδύοντος κυματισμού. Κατά την πειραματική διερεύνηση διεξήχθησαν μετρήσεις στη διώρυγα κυματισμών βαρύτητας " ημήτρης Κοιλάκος" του Εργαστήριο Λιμενικών Έργων του Ε.Μ.Π. σε φυσικό προσομοίωμα κυματοθραύστη από φυσικούς ογκολίθους, με κεκλιμένο πρανές (Σχήμα 1), στο οποίο είχε τοποθετηθεί αγωγός ανανέωσης υδάτων μεταβλητού πλάτους και ύψους (Ακύλας, 2005). Στη συνέχεια τα αποτελέσματα των μετρήσεων συγκρίθηκαν με εκείνα άλλων πειραματικών μετρήσεων που είχαν διεξαχθεί σε φυσικό προσομοίωμα λιμένα σε τρισδιάστατη δεξαμενή πειραματικών δοκιμών στο Ε.Λ.Ε. καθώς και σε ομοίωμα κυματοθραύστη με κατακόρυφο πρανές στη διώρυγα κυματισμών του Ε.Λ.Ε (Μονιούδη, 2005). Σχήμα 1. Φυσικό ομοίωμα κυματοθραύστη με πρανή και αγωγό ανανέωσης. Figure 1. Physical model of breakwater with renewal pipe.

5

6 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ Οι πειραματικές μετρήσεις διεξήχθησαν στη διώρυγα κυματισμών του Ε.Λ.Ε (Σχήμα 2.) Η διώρυγα είναι εξοπλισμένη με κατάλληλα όργανα και λογισμικό για την παραγωγή και καταγραφή δισδιάστατων μονοχρωματικών κυματισμών (Μονιούδη 2005, Ακύλας, 2005). Σχήμα 2. Πειραματική διώρυγα δοκιμών στο Ε.Λ.Ε και κάτοψη της πειραματικής διάταξης. Figure 2. General view of the experimental wave flume and the experimental setup. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας κατασκευάστηκε φυσικό προσομοίωμα κυματοθραύστη από φυσικούς ογκολίθους με κλίση πρανούς

7 1:1,5. Ως γεωμετρική κλίμακα ομοιότητας επιλέχθηκε η κλίμακα 1:15 σύμφωνα με τις διαστάσεις της διώρυγας και για να είναι δυνατή η σύγκριση με τα αποτελέσματα άλλων πειραματικών εργασιών. Εκτελέσθηκαν πειραματικές μετρήσεις για 8 διατάξεις του αγωγού ανανέωσης (Πίνακας 1) και κάθε διάταξη ελέγχθηκε για 10 διαφορετικές κυματικές συνθήκες (Πίνακας 2). Για τη μέτρηση των κυματικών χαρακτηριστικών χρησιμοποιήθηκαν 6 μετρητές τύπου αντιστάσεως, οι οποίοι τοποθετήθηκαν σε χαρακτηριστικές θέσεις στην προσήνεμη και την υπήνεμη πλευρά του κυματοθραύστη (Σχήμα 1). Πίνακας 1. ιατομές αγωγού ανανέωσης ύδατος. Table 1. Dimensions of water renewal pipes A/A Πλάτος b(cm) Ύψος h (cm) Μήκος l (cm) Πίνακας 2. Κυματικά χαρακτηριστικά. Table 2. Experimental wave characteristics 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ a/a T (sec) H (cm) 1 1,48 1,31 2 1,48 2,67 3 1,48 3,88 4 1,48 5,16 5 1,48 6,49 6 1,06 12,67 7 1,06 14,27 8 0,90 8,63 9 0,90 9, ,90 10,13 Για όλες τις πειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν υπολογίστηκε ο συντελεστής κυματικής διείσδυσης. Ως συντελεστής κυματικής διείσδυσης

8 ορίζεται ο λόγος του ύψους κύματος του διεισδύοντος κυματισμού (Ηt) προς το ύψος κύματος του προσπίπτοντος κυματισμού (Hi): Ηt/Hi%. Στο Σχήμα 3 δίνεται η μεταβολή του συντελεστή διείσδυσης συναρτήσει της αδιάστατης παραμέτρου καμπυλότητας Ηi/gT 2. ιάταξη 1: b=30cm h=18cm ιάταξη 2: b=24cm h=18cm ιάταξη 3: b=30cm h=15cm ιάταξη 4: b=24cm h=15cm ιάταξη 5: b=18cm h=15cm ιάταξη 6: b=30cm h=12cm ιάταξη 7: b=24cm h=12cm ιάταξη 8: b=18cm h=12cm Σχήμα 3. Μεταβολή του συντελεστή κυματικής διείσδυσης Ht/Hi ως συνάρτηση

9 της αδιάστατης παραμέτρου καμπυλότητας, Hi/gT 2. Figure 3. Variation of the transmission coefficient Ht/Hi, as a function of non-dimensional steepness parameter, Hi/gT 2. Παρατηρείται ότι ο συντελεστής διείσδυσης μειώνεται με την αύξηση της αδιάστατης παραμέτρου Ηi/gT 2 και μπορεί να περιγραφεί με καμπύλη της μορφής ΚΤ= α(ηi/gt 2 ) b. Στο Σχήμα 4 δίνεται η επίδραση του ύψους του αγωγού ανανέωσης στη μεταβολή του συντελεστή κυματικής διείσδυσης για πλάτη αγωγών ανανέωσης α) b=24cm και β) b= 15cm. Όπως αναμενόταν, ο συντελεστής, αυξάνεται με την αύξηση του ύψους του αγωγού. (α) Σχήμα 4. Μεταβολή του συντελεστή κυματικής διείσδυσης Ht/Hi με το ύψος του αγωγού ανανέωσης, ως συνάρτηση της αδιάστατης παραμέτρου καμπυλότητας, Hi/gT 2. Figure 4. Variation of the transmission coefficient Ht/Hi with the renewal s pipe height, as a function of non-dimensional steepness parameter, Hi/gT 2. Επίσης, όπως προκύπτει από το Σχήμα 5, στις παρούσες μετρήσεις δεν διαπιστώθηκε εμφανώς η επίδραση του πλάτους του αγωγού ανανέωσης στην μεταβολή του συντελεστή κυματικής διείσδυσης, γεγονός που πιθανά να οφείλεται στις διαστάσεις του αγωγού σε σχέση με το πλάτος της πειραματικής διώρυγας και στις απώλειες που υπεισέρχονταν εξαιτίας των στερεών ορίων. (β)

10 Σχήμα 5. Μεταβολή του συντελεστή κυματικής διείσδυσης Ht/Hi με το πλάτος του αγωγού ανανέωσης, ως συνάρτηση της αδιάστατης παραμέτρου καμπυλότητας, Hi/gT 2. Figure 5. Variation of the transmission coefficient Ht/Hi with the renewal s pipe width, as a function of non-dimensional steepness parameter, Hi/gT 2. Στο Σχήμα 6 δίνεται η μεταβολή του συντελεστή κυματικής διείσδυσης για αγωγούς ανανέωσης με τα ίδια γεωμετρικά χαρακτηριστικά (h= 12cm, b=24cm l=100cm) για τις περιπτώσεις: α) κυματοθραύστη με κατακόρυφο μέτωπο (Γιαννάκη, 2005) και β) κυματοθραύστη από φυσικούς ογκολίθους με κλίση πρανών 1:1,5 ( ιάταξη 7). Οι μετρήσεις της Γιαννάκη (2005) εκτελέστηκαν στην ίδια πειραματική διάταξη με τις παρούσες μετρήσεις. Παρατηρείται ότι ο συντελεστής κυματικής διείσδυσης είναι μεγαλύτερος για την περίπτωση των μετρήσεων που διεξήχθησαν με κυματοθραύστη με κατακόρυφο μέτωπο (Γιαννάκη, 2005).

11 Σχήμα 6. Μεταβολή συντελεστή κυματικής διείσδυσης μέσω αγωγών με τα ίδια γεωμετρικά χαρακτηριστικά στην περίπτωση κυματοθραύστη με κατακόρυφο μέτωπο (Γιαννάκη, 2005) και με πρανή ( ιάταξη 7). Figure 6. Variation of the transmission coefficient, for renewal pipes of the same size, for vertical breakwater (Γιαννάκη, 2005) and rubble mound sloping breakwater ( ιάταξη 7). Επίσης η ημητρακοπούλου (2005) πραγματοποίησε μετρήσεις για τη διερεύνηση της κυματικής διείσδυσης μέσω αγωγού ανανέωσης σε λιμενολεκάνη, στην τρισδιάστατη δεξαμενή δοκιμών του Ε.Λ.Ε., σε φυσικό προσομοίωμα του λιμενικού καταφυγίου στον Άγιο Κήρυκο Ικαρίας με γεωμετρική κλίμακα ομοιότητας 1:60. Πιο συγκεκριμένα τοποθετήθηκε επί του προσήνεμου μόλου το λιμένα, αγωγός ανανέωσης μεταβλητού πλάτους. Ο προσήνεμος μόλος ήταν κατασκευασμένος από φυσικούς ογκολίθους και με κλίση πρανούς 1:2.5. Ακολούθως συγκρίνονται αποτελέσματα από την παρούσα εργασία ( ιατάξη 6) με αποτελέσματα από μετρήσεις της ημητρακοπούλου (2005). Για την σύγκριση των αποτελεσμάτων των δύο αυτών πειραματικών εργασιών, δεδομένου ότι η κλίμακα των προσομοιωμάτων ήταν διαφορετική, έγινε μετατροπή των δεδομένων στη φυσική κλίμακα. Στο Σχήμα 7 δίδεται ο συντελεστής κυματικής διείσδυσης για τη ιάταξη 6. Οι διαστάσεις του αγωγού ανανέωσης της ιάταξης 6 σε κλίμακα 1:1είναι: b=4,5m, h=1,8m. Επίσης δίδεται ο συντελεστής κυματικής διείσδυσης για μετρήσεις που διεξήγαγε η ημητρακοπούλου (2005) με αγωγό ανανέωσης διαστάσεων σε κλίμακα 1:1: b=4,5m, h=1,5m.

12 Σχήμα 7. Μεταβολή συντελεστή κυματικής διείσδυσης μέσω αγωγών ανανέωσης σε κυματοθραύστες με διαφορετική κλίση εξωτερικού πρανούς. Figure 7. Variation of the transmission coefficient, through renewal pipes, for breakwaters with different slopes. Προκύπτει ότι το ποσοστό κυματικής διείσδυσης είναι αρκετά μεγαλύτερο για την περίπτωση του ομοιώματος στη διώρυγα, όπου η κλίση του εξωτερικού πρανούς είναι μεγαλύτερη και όπου η διατομή του αγωγού ανανέωσης είναι ελαφρώς μεγαλύτερη. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε πειραματικά η κυματική διείσδυση από αγωγό ανανέωσης υδάτων στην υπήνεμη πλευρά κυματοθραύστη με πρανή. Από την επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων προέκυψε ότι ο συντελεστής κυματικής διείσδυσης μειώνεται συναρτήσει της αδιάστατης παραμέτρου καμπυλότητας Ηi/gT 2 και μπορεί να περιγραφεί, από μία καμπύλη της μορφής: ΚΤ= α (Ηi/gT 2 ) β. Επίσης επιβεβαιώθηκε ότι ο συντελεστής αυξάνεται με την αύξηση του ύψους του αγωγού ανανέωσης ενώ δεν υπήρξαν σαφή συμπεράσματα για την επίδραση του πλάτους του αγωγού. Τέλος, προέκυψε ότι με την αύξηση της κλίσης του εξωτερικού πρανούς του προσήνεμου μόλου αυξάνεται το ποσοστό του διερχόμενου κυματισμού. 5. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

13 Ακύλας, Α. (2005). Πειραματική διερεύνηση της εισερχόμενης κυματικής διαταραχής σε λιμενολεκάνη από αγωγό ανανέωσης υδάτων - Μέρος Ι. Μεταπτυχιακή Εργασία στα πλαίσια των Μεταπτυχιακών Σπουδών στο Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα. Γιαννάκη, Σ - Τ.Χ. (2005). Πειραματική διερεύνηση της επίδρασης των αγωγών ανανέωσης ύδατος στα κυματικά χαρακτηριστικά και στην οξυγόνωση της εσωτερικής περιοχής παράκτιων έργων. ιπλωματική Εργασία, Εργαστήριο Λιμενικών Έργων, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα ημητρακοπούλου,. (2005). Πειραματική διερεύνηση κυματικής διείσδυσης σε λιμενολεκάνη από αγωγούς ανανέωσης ύδατος. ιπλωματική Εργασία, Εργαστήριο Λιμενικών Έργων, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα. Μονιούδη, Ι. (2005). Πειραματική διερεύνηση της εισερχόμενης κυματικής διαταραχής σε λιμενολεκάνη από αγωγό ανανέωσης υδάτων - Μέρος ΙΙ Μεταπτυχιακή Εργασία στα πλαίσια των Μεταπτυχιακών Σπουδών στο Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα. Herrington, T.O., R.I. Hires, R.J. Miskewitz, J. Turner, M.S. Bruno and G.A. Boehm. (2006). Attenuation and flushing characteristics of low porosity wake screens, Proceedings of Protection and Restoration of the Environment VIII, Chania, - Greece, e- proceedings. Stamou, I., I.K. Katsiris, C.I. Moutzouris and V.K. Tsoukala, Improvement of Marina Design Technology Using Hydrodynamic Models, Global Nest, Vol. 6, No 1, pp