ΠΑΡΑ ΟΣΕΙΣ ΕΑΡΙΝΟΥ ΕΞΑΜΗΝΟΥ 2009-2010 2010 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ρ. ΘΕΟΧΑΡΗΣ ΚΟΦΤΗΣ -1-
ΠΑΡΑΚΤΙΑ ΣΤΕΡΕΟΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΑΚΤΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ- ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΥΛΙΚΟΥ ΑΚΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ ΕΓΚΑΡΣΙΑ ΣΤΗΝ ΑΚΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ ΠΑΡΑΛΛΗΛΑ ΣΤΗΝ ΑΚΤΗ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΑΚΤΩΝ-ΠΑΡΑΚΤΙΩΝ ΕΡΓΩΝ -2-
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι ακτές και ο πυθµένας των παρακτίων περιοχών από γεωλογική άποψη: βραχώδεις χρονική κλίµακα µεταβολής : αιώνες Αµµώδεις/γαιώδεις χρονική κλίµακα µεταβολής : από ορισµένες ώρες (διάρκεια θύελλας) ως αιώνες Τεράστιεςποσότητες κοκκώδους υλικού του πυθµένα κινούνται στον χώρο των ακτών κάτω από την αποσταθεροποιητική δράση των κυµατισµώνκαι και την µεταφορική ικανότητα των ρευµάτων. Τα παράκτια τεχνικά έργα διαταράσσουν την προϋπάρχουσα δυναµική φυσική ισορροπία, επηρεάζουν την παράκτια κυκλοφορία (αναµόρφωση πεδίου ταχυτήτων) και τελικά το ρυθµό στερεοµεταφοράς. Πιθανές συνέπειες: προσάµµωση και αχρήστευση ενός λιµενικού έργου ή διάβρωση µιας οικιστικά αναπτυγµένης ακτής. -3-
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στόχος η παρουσίαση των φυσικών µηχανισµών στερεοµεταφοράς ιζηµάτων µε τελικό ζητούµενο την περιγραφή της αλληλεπιδράσεως των τ παράκτιων τεχνικών έργων και ακτών. Εφαρµογή των παραπάνω στην ποσοτική περιγραφή της επίδρασης των έργων στην µορφολογία των ακτών στα πλαίσια εκτίµησης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των έργων. ΦΥΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΤΩΝ ΑΚΤΩΝ Ειδικό βάρος υλικού κόκκων γ s. Η κύρια σύσταση των κόκκων των αµµωδών ακτών είναι χαλαζιακή µε ειδικό βάρος γ s =2.65 t/m 3 (ή 26.5 kn/m 3 ) Βυθισµένο ειδικό βάρος των φερτών υλών = (γ s -γ w )(1-n),, όπου γ w : το ειδικό βάρος του νερού,, n: το πορώδες -4-
ΦΥΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΤΩΝ ΑΚΤΩΝ Χαρακτηριστική διάµετρος κόκκων D 50 (µέση διάµετρος κόκκου) Παράµετρος φ= -log 2 (D) Ονοµασία Κροκάλες Χάλικες Άµµος Ίλυς Άργιλος ιάµετρος (mm) 250-60 32-4 2-0.1 0.03-0.004 0.004 0.002-0.0002 0.0002 Παράµετρος φ -8 εως -6-5 εως -2 1 εως 4 5 εως 8 9 εως 12 Ταξινόµηση εδαφών ακτών ανάλογα µε µέγεθος κόκκων -5-
ΦΥΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΤΩΝ ΑΚΤΩΝ Χαρακτηριστικά κοκκοµετρικής ανάλυσης κόκκων ιζήµατος: Μέση διάµετρος κόκκων Μφ= = (φ 84 + φ 50 Τυπική απόκλιση των κόκκων σφ= (φ 84 50 +φ 16 84 -φ 16 16 )/3 16 )/2 Σηµαντικόχαρακτηριστικό είναι η ταχύτητα καθιζήσεως w f των κόκκων 0.7 1.1 3 γs D50 γs gd50 f 0.4 2 w = -1 g για 39 < -1 < 10 γ 6 v γ v Σηµαντικόφυσικό µέγεθος είναι η διαπερατότητα των κόκκων K = 760 D e 2 ( 1.61 σφ ) 50 4-6-
ΦΥΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΤΩΝ ΑΚΤΩΝ Ταχύτητακαθιζήσεως w f κόκκων -7-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ υνάµεις που επιδρούν στον κόκκο για χονδρόκοκο υλικό, µη συνεκτικό όπως τα χαλίκια η άµµος (ορθές και διατµητικές τάσεις, υδροδυναµικές πιέσεις κ.α. Επίδραση στερεοποίησης και µοριακές δυνάµεις στην περίπτωση λεπτόκκοκωνυλικών, συνεκτικών όπως η ιλύς η άργιλος. υνάµεις που επιδρούν στον κόκκο µη συνεκτικού υλικού -8-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Κίνηση των κόκκων των φερτών υλών µε δύο τρόπους: µε κύλιση στον πυθµένα και διαδοχικά άλµατα σε απόσταση ~5-10 10D και περιοδική επαφή µε πυθµένα χωρίς επαφή µε τον πυθµένα, σε αιώρηση µέσα στην υδάτινη στήλη. Τεχνητή διάκριση του φορτίου φερτών υλών ανάλογα µε τους δυο τρόπους µεταφοράς Φορτίο πυθµένα Ειδική παροχή όγκου : q b (m 3 /m/sec) [b bed: πυθµένας] Βυθισµένο βάρος φερτών : g b (kg/m/sec) Φορτίο σε αιώρηση Ειδική παροχή όγκου : q s (m 3 /m/sec) [s suspension: αιώρηση] Βυθισµένο βάρος φερτών : g s (kg/m/sec) g=(γ -γ ) (1-n) q s w -9-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Φορτίο πυθµένα Το φορτίο πυθµένα, q b περιορίζεται σε ζώνη πάχους z a =2k s, όπου k s : τραχύτητα πυθµένα, η χαρακτηριστική διάσταση ανωµαλιών πυθµένα k s = D 50 στην περίπτωση επίπεδου πυθµένα k s = ύψος αµµοκυµατίων στην περίπτωση δράσης κυµατισµών Φορτίο σε αιώρηση Το φορτίο σε αιώρηση, q s υπολογίζεται από τη θέση z a ως τη θέση της ελεύθερης επιφάνειας, h, συναρτήσει της ταχύτητας και της συγκέντρωσης όγκου των φερτών σε αιώρηση c q s h = cudz za -10-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Εφαρµογή της αρχής διατήρησης της µάζας (όγκου) για την περιγραφή της εξέλιξης της βαθυµετρίας σε 2 οριζόντιες διαστάσεις. zb + ( qbx + qsx ) + ( qby + qsy ) = 0 t x y ή zb( γ s γ w)(1 n) + ( gbx + gsx ) + ( gby + gsy ) = 0 t x y Αν ληφθεί υπ όψη η οριακή συνθήκη πυθµένα για το φορτίο σε αιώρηση (µε την εισαγωγή των παραµέτρων Ε (erosion( erosion-διάβρωση) και D (deposition( εναπόθεση) τότε η παραπάνω εξίσωση γίνεται z q b q bx by + + = D t x y E Ε (erosion-διάβρωση) * D (deposition( εναπόθεση) -11-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Η διάκριση των δύο περιοχών µεταφοράς φερτών σε αιώρηση και παραπυθµένια σχηµατοποιείται στο σχήµα ιάκριση τρόπων µεταφοράς φερτών υλών -12-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Σηµαντικό φυσικό µέγεθος που έχει το σηµαντικότερο ρόλο στην αποσταθεροποίηση των κόκκων είναι η διατµητική τάση πυθµένα.. Οι διατµητικές τάσεις που αναπτύσσονται οφείλονται στη συνδυασµένη δράση ρεύµατος (c:( current- δείκτης ρεύµατος) ) και κύµατος (w:( wave- δείκτης κύµατος) Κρίσιµη διατµητική τάση πυθµένα τ bcr ορίζεται η διατµητική τάση, της οποίας η υπέρβαση έχει ως αποτέλεσµα την αποκόλληση και αποσταθεροποίηση των κόκκων. Θεωρία Bagnold για την κίνηση των φερτών υλών. Οι κυµατισµοί είναι ο κύριος παράγοντας που προκαλεί την αποσταθεροποίηση των κόκκων (υπέρβαση της κρίσιµης διατµητικής τάσης στον πυθµένα) και στη συνέχεια σ τα θαλάσσια ρεύµατα αναλαµβάνουν τη µεταφορά των κόκκων σε µεγάλες ες οριζόντιες αποστάσεις. Η τυρβώδης ροή του ρεύµατος µαζί µε τις περιοδικές τροχιές των κυµάτων κ αυξάνουν την κατακόρυφη διάχυση. -13-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ ιαφορά της µορφής πυθµένα µεταξύ περιβάλλοντος όπου επικρατούν µέτριας έντασης ρεύµατα (επίπεδος πυθµένας µε ανωµαλίες της τάξης ς του κόκκου) και σε περιβάλλον όπου επικρατούν οι κυµατισµοί (αµµοκυµάτια( ύψους µερικών εκατοστών) ιάκριση µορφής πυθµένα -14-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Χαρακτηριστικά µεγέθη: τ b u * διατµητική τάση πυθµένα ταχύτητα τριβής u * = τ b ρ Κρίσιµες συνθήκες για την έναρξη της κίνησης τ bcr u *cr κρίσιµη διατµητική τάση πυθµένα κρίσιµη ταχύτητα τριβής u * cr = τ bcr ρ δείκτης ρεύµατος (c:( current) τ, u bc * c δείκτης κύµατος (w:( wave) τ, u bw * w -15-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Κρίσιµες συνθήκες για την έναρξη της κίνησης (κατώφλι( κίνησης) ) σε περιβάλλον ρεύµατος (δείκτης c) µε ταχύτητα U c. Η ταχύτητα τριβής u *c συνδέεται µε την ταχύτητα του ρεύµατος U c. τ u bc c * c = = U c = c ρ 8 U c c τ = ρu bc 2 * c f g ταχύτητα τριβής λόγω ρεύµατος όπου c c ο συντελεστής τριβής κατά Chezy,, και f c ο συντελεστής τριβής κατά Darcy δείκτης ρεύµατος (c:( current) f c = log 0.24 2 10 12d ks όπου dτο βάθος, και k s η φυσική τραχύτητα του πυθµένα c c 12d = 18log10 ks -16-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Για τον υπολογισµό των κρισίµων συνθηκών, έναρξης της κίνησης των κόκκων, γίνεται χρήση του διαγράµµατος του Shields (συσχέτιση της ανηγµένης διατµητικής τάσης τ b /((s-1)ρgd 50 ) µε τον αριθµό Reynolds R=u * D 50 /ν, D 50 = η διάµετρος των κόκκων Υπέρβασητης κρίσιµης ταχύτητας ασταθής πυθµένας ιάγραµµατου Shields Κατώφλι κίνησης * d D 50 Σχετικό ειδικό βάρος ρ γ = s 1 = ( s 1) ρ γ w τ b ( s 1) ρ gd 50 2 ρu* = = ( s 1) ρ gd 2 u* = ( s 1) gd 50 = 50-17-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Εναλλακτικάεφαρµογή σχέσεων Swart-Flemming Flemmingγια υπολογισµό κρίσιµης ταχύτητας λόγω ρεύµατος ν u = R D * c, cr * R * = 10 a 50 κρίσιµη ταχύτητα τριβής λόγω ρεύµατος a = x + x 2 0.092 1.158 0.367 δείκτης ρεύµατος (c:( current) x = log ( D ) 10 * D 1/3 ρ g = D ρ ν * 2 50 ρ γ = s 1 ρ γ w -18-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Στην περίπτωση περιβάλλοντος κυµατισµών (δείκτης( w), w τότε η διατµητική τάση πυθµένα σχετίζεται µε το πλάτος της ταχύτητας κοντά στον πυθµένα U o δείκτης κύµατος (w:( wave) f U o bw π H = T τ ρ f w 1 sinh( kd) w U 2 2 o = ιατµητική τάση πυθµένα λόγω κύµατος Όπου f w συντελεστής τριβών 0.914 Ξ = exp 5.2 6 k sw f wmax =0.3 Τοπλάτος της τροχιάς των µορίων κοντά στον πυθµένα Ξ = U o T 2π Γιατον υπολογισµό των κρισίµων συνθηκών, έναρξης της κίνησης των κόκκων, γίνεται χρήση του διαγράµµατος του Shields µε u * w = τ bw ρ -19-
ΦΥΣΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Στην περίπτωση συνύπαρξης κυµατισµού και ρεύµατος (έστω στην ίδια κατεύθυνση) υποτίθεται επαλληλία των διατµητικών τάσεων πυθµένα. Υπολογίζεται η τάση που προκύπτει από τη σύνθετη δράση τ bwc = µ cτ bc + µ wτ bw όπου µ c και µ w συντελεστές, «βάρη» σχετιζόµενοι µε την τραχύτητα πυθµένα σε περιβάλλον ρεύµατος (επίπεδος πυθµένας), ή κυµάτων (εµφάνιση αµµοκυµατίων) π.χ µ = c f f c c' f c υπολογίζεται µε k sc f c υπολογίζεται µε k s =k sw 0.8 sc =D 50 µ w = sw D * Γιασυνδυασµένη δράση είναι δυνατή η προσέγγιση του k scw k scw = k e γ sc Uo Uc γ= = 0.75 1.10-20-
ΠΟΣΟΤΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ ΕΙ ΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΟΠΑΡΟΧΗΣ Συσχέτιση ειδικών στερεοπαροχών όγκου φερτών υλών σε περιβάλλον κυµατισµών και ρεύµατος, µε την υδροδυναµική κατάσταση στον πυθµένα και τις ιδιότητες των κόκκων. Προσέγγιση Kalinski-Frijlink Αρχικά υπολογίζεται το φορτίο πυθµένα q bwc κύµατος και ρεύµατος q bwc 0.27 g D50 ρ 5D 2 50U g µ c u * wc = e c wc ρ bwc λόγω συνδυασµένης δράσης φορτίοπυθµένα u 2 U g = + * wc 2 cwc f w 2 * U 2 o 1/ 2 ταχύτητατριβής τριβής για συνδυασµένη δράση όπου c wc ο συντελεστής τριβής κατά Chezy,, υπολογίζεται για k s =k scw -21-
ΠΟΣΟΤΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ ΕΙ ΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΟΠΑΡΟΧΗΣ Με βάση αυτή την τιµή στερεοπαροχής πυθµένα q bwc υπολογίζεται η τιµή της ισοδύναµης συγκέντρωσης c a µέσα στη ζώνη παραπυθµένιας µεταφοράς πάχους z a c a = 6.34 q τ bwc bwc ρ k scw u *wc Τοπάχος της παραπυθµένιαςµεταφοράς, µεταφοράς, z a, υπολογίζεται z a = 0.015 D c a D 50 0.3 * T 1.5 όπου Τ η παράµετρος διατµήσεως bcw bcr T τ τ τ = υπολογίζεταιαπό από διάγραµµα Shields bcr -22-
ΠΟΣΟΤΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ ΕΙ ΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΟΠΑΡΟΧΗΣ Τοφορτίο σε αιώρηση q s µπορεί να εκτιµηθεί από το c a µε το νοµογράφηµα του Einsteinπου δίνει το λόγο q s /q b συναρτήσει των παραµέτρων z a /dκαι z wf wf = = κu 0.4u * wc * wc όρος καθίζησης όρος διασποράς ιάγραµµα Einsteinγια την εκτίµηση της στερεοπαροχής σε αιώρηση -23-
ΠΟΣΟΤΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ ΕΙ ΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΟΠΑΡΟΧΗΣ Απλούστερη,, µε µειωµένη ακρίβεια, είναι η σχέση των Engelund-Hansen που δίνει την ολική ειδική στερεοπαροχή q = q + q = Twc bwc swc 4 0.05 U cwc u* wc 2 g 5/ 2 ρ ρ D 50 Πιο ακριβείς και σύνθετες οι σχέσεις που στηρίζονται στην προσέγγιση του Baillardπου διαχωρίζοντας τις δύο συνιστώσες στερεοπαροχήςεισάγει εισάγει παραµέτρους όπως η ασυµµετρία του κύµατος και η κλίση του πυθµένα α για τις µέσες κατά την περίοδο του κύµατος στερεοπαροχές. -24-
ΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΕΡΕΟΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΤΙΣ ΟΡΙΖΟΝΤΙΕΣ ΙΕΥΘΥΝΣΕΙΣ Τεχνητή διαφοροποίηση της ενιαίας δισδιάστατης διαδικασίας στερεοµεταφοράς σε δύο κατευθύνσεις: α) την εγκάρσια και β) την παράλληλη προς την ακτή. ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ ΕΓΚΑΡΣΙΑ ΣΤΗΝ ΑΚΤΗ Το όριο επιδράσεως των κυµατισµών καθορίζεται από τη σχέση Halmeier, που σχετίζει τη µέγιστη κυµατική ταχύτητα κοντά στον πυθµένα µε τη διάµετρο και το ε.β. των φερτών 0.5 π H 1 ρ = = ocr = 8 50 U o U gd T sinh( kd) ρ Η σχέση αυτή δίνει τους συνδυασµούς κύµατος µε Η,Τ για τους οποίους βρίσκεται το οριακό βάθος d επιδράσεως των κυµατισµών στο υλικό του πυθµένα -25-
ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ ΕΓΚΑΡΣΙΑ ΣΤΗΝ ΑΚΤΗ Κατεύθυνση προς την ακτή, έξω από τη ζώνη θραύσεως. Κατεύθυνση προς την ανοιχτή θάλασσα, µέσα στη ζώνη θραύσεως (λόγω κυρίως του υποβρυχίου ρεύµατος επιστροφής, undertow) Κατευθύνσειςεγκάρσιας εγκάρσιας στερεοµεταφοράς λόγω κυµατισµών έξω και µέσα στη ζώνη θραύσης ιαµόρφωση στη γραµµή θραύσεως υφάλου, παράλληλου στην ακτή, µε υλικό διάβρωσης της ακτής,που αποτελεί προφυλακή της ακτής για την διακοπή της πιο πέρα διάβρωσης. ιαφοροποίηση «χειµερινού»και «θερινού» προφίλ της ακτής -26-
ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ ΕΓΚΑΡΣΙΑ ΣΤΗΝ ΑΚΤΗ ιάκρισηχειµερινού και θερινού προφίλ ακτής ανάλογα µε την καµπυλότητα του κύµατος ( τον χειµώνα το θέρος) διαµόρφωση υφάλου Κύµατα µε µεγάλη καµπυλότητα Η ο /L o Χειµερινό προφίλ θερινό προφίλ Κύµατα µε µικρή καµπυλότητα Η ο /L o -27-
ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ ΕΓΚΑΡΣΙΑ ΣΤΗΝ ΑΚΤΗ Κριτήριο διάβρωσης/ πρόσχωσης ανάλογα µε την καµπυλότητα του κύµατος και την φύση του υλικού του πυθµένα. Σχέση Dean F o = H f o w T Ανάλογαµε τη τιµή του F o, διακρίνονται δυο περιπτώσεις: F o >1 : διάβρωση F o <1 : προσάµµωση Σχέση Sunamura-Horikawa G o H ( tanθ ) D o 0.27 50 = Lo Lo G o >18 : διάβρωση 0.67 G o <9 : προσάµµωση -28-
ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ ΠΑΡΑΛΛΗΛΑ ΣΤΗΝ ΑΚΤΗ Πειραµατική συσχέτιση παράκτιας ροής κυµατικής ενέργειας λόγω της λοξής θραύσης των κυµατισµών µε την ολική (παραπυθµένια και σε αιώρηση) στερεοπαροχή ρ g P = H c sin 2a 16 2 ls sb gb b ροήενέργειας κατά µήκος της ακτής στο σύνολο της ζώνης θραύσης [J/m/s m/s] G l = 15 10 6 P ls Συνολικόβυθισµένο βάρος φερτών στο σύνολο της ζώνης θραύσης [Ν/έτος[ Ν/έτος] Q l = 1290P ls Συνολικόςόγκος όγκος φερτών στο σύνολο της ζώνης θραύσης [m[ 3 /έτος] Η τιµή του Q ls πρέπει να πολλαπλασιαστεί µε την µέση ετήσια συχνότητα f% εµφανίσεως της συγκεκριµένης κατάστασης κυµατισµών ώστε να δίνει την πραγµατικήετήσια παράκτια στερεοπαροχή -29-
ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Σοβαρό τεχνικό πρόβληµα η εκτίµηση του ετήσιου ισοζυγίου φερτών υλών σε ένα τµήµα της ακτής, που είτε είναι εκ φύσεως προβληµατικό είτε κινδυνεύει από τις αναδράσεις της φύσης πάνω σε σχεδιαζόµενο τεχνικό έργο. Φυσιογραφική µονάδα: τµήµα ακτής το οποίο ανεξάρτητο ως προς την στερεοµεταφορά από τα παρακείµενα. Στο τµήµα αυτό µπορεί να περιέχονται πηγές (sources)( sources)και παγίδες (sinks)( sinks)φερτών υλών Πηγές φερτών υλών Υδατορρεύµατα ιάβρωση γαιωδών όγκων Ανεµογενής µεταφορά κόκκων Βιογενής απόθεση από κελύφη νεκρών θαλασσίων οργανισµών (π.χ. coral reefs) Τεχνητή τροφοδοσία ακτών -30-
Παγίδες φερτών υλών Παλιρροιακά στόµια (tidal( inlet) Υποβρύχια φαράγγια Αµµοληψίες Άστοχα παράκτια έργα ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Με βάση τη σχέση υπολογισµού της παράκτιας στερεοµεταφοράς, είναι δυνατό να γίνει ποσοτική ανάλυση του ισοζυγίου φερτών υλών κατά τη διάρκεια του έτους κατά µήκος µιας ακτής. Ετήσιο ισοζύγιο Ω N Ω = ε Q f i= 1 i i i i= = 1,2,..Ν, οι διάφορες κυµατικές καταστάσεις, H is, a bi ε i : το πρόσηµο της κατεύθυνσης της στερεοµεταφοράς Q i : ο αντίστοιχος ετήσιος όγκος φερτών f i : η συχνότητα εµφάνισης της καταστάσεως -31-
ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Ενδείξεις ανοιχτού ισοζυγίου φερτών υλών -32-
ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Γιατµήµα ακτής µήκους l,, µέσο βάθος νερού όπου εκτείνεται η δράση των κυµατισµών h,, και Ω το ανισοζύγιο της πλευρικά εισερχόµενης και εξερχόµενης ποσότητας φερτών υλών σε ετήσια βάση, η ετήσια µεταβολή της ακτογραµµής είναι ίση µε: Ω y = l h ιαφορική εξίσωση µεταβολής της ακτογραµµής ανάντη και κατάντη µιας παγίδας φερτών υλών (π.χ. βραχίονα, µόλου) Μοντέλο Pelnard -Considere.. (θεωρία µίας γραµµής) Σε ακτή µε βάθος επίδρασης των κυµατισµών h (συνήθως h=2 3d b ) βρίσκεται η ετήσια µεταβολή της τεταγµένης y της ακτογραµµής από την εξίσωση συνεχείας y t Q h + = x 0-33-
ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Αρχικές συνθήκες t=0 y=0 Οριακές συνθήκες x=0 Q=0 x=0 dy dx = a o Ευθύγραµµηακτή ακτή µε εγκάρσιο βραχίονα που διακόπτει την στερεοπαροχή στο x=0 dy 0 dx = x= Q=Q o x= x= y=0 όπου: Q ο η φυσική στερεοπαροχή, a o ηγωνία θραύσης των κυµατισµών ως προς την ακτή. -34-
ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Υπάρχει αναλυτική λύση της εξίσωσης για σταθερό Q o Βρίσκεται για την προσάµµωση στη θέση του εµποδίου x=0 y Q ta = π h o o 2 x= 0 1/ 2 Η ανάντη επίδραση της παγίδευσης φερτών υλών εκτείνεται σε µήκος x x 3 y x= 0 a o Ευθύγραµµηακτή ακτή µε εγκάρσιο βραχίονα που διακόπτει την στερεοπαροχή στο x=0-35-
ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΑΚΤΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΑΚΤΙΩΝ ΕΡΓΩΝ Έργα που εισέρχονται στη ζώνη θραύσης των κυµατισµών και διακόπτουν την παράκτια στερεοπαροχή συνεπάγονται προσάµµωση ανάντη του έργου, διάβρωση της ακτής στα κατάντη. Επίδραση παρακτίων έργων στην µορφολογία της ακτής -36-
ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΑΚΤΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΑΚΤΙΩΝ ΕΡΓΩΝ Μεταξύ ενός παράλληλου προς την ακτή έργου και της ακτής(στη σκιά των περιθλώµενων κυµατισµών), δηµιουργία προσάµµωσης (tombolo) Επίδραση παρακτίων έργων στην µορφολογία της ακτής -37-
ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΑΚΤΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΑΚΤΙΩΝ ΕΡΓΩΝ Στρόβιλοι αδρανειακής προέλευσης που αποκολλώνται από τα άκρα µόλων δηµιουργούν στο κέντρο τους προσαµµώσεις (µειώσεις του βάθους) Επίδραση παρακτίων έργων στην µορφολογία της ακτής Είσοδοι λιµένων που αντιµετωπίζουν κυµατισµούς δέχονται και παγιδεύουν στο εσωτερικό της λιµενολεκάνης φερτές ύλες (µείωση βαθών στην γειτονική περιοχή της λεκάνης) -38-
ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΑΚΤΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΑΚΤΙΩΝ ΕΡΓΩΝ Παράκτιοι τοίχοι µέσα στη ζώνη αναρρίχησης των ισχυρών κυµατισµών (χειµερινών) προκαλούν ανάκλαση της κυµατικής ενέργειας και συνεπάγονται διάβρωση του ποδός τους και υποσκαφή τους (πρέπει να θεµελιώνονται σε βάθος µεγαλύτερο από την προβλεπόµενη διάβρωση). Επίδραση παρακτίων έργων στην µορφολογία της ακτής -39-
ΜΕΤΡΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑ ΑΝΑΤΑΞΗΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΤΩΝ ΑΚΤΩΝ Τεχνητή παράκαµψη των εγκαρσίων έργων µε µεταφορά της άµµου από τα ανάντη στα κατάντη του έργου. Αύξηση της απόστασης των κυµατοθραυστών από την ακτή και τµηµατική κατασκευή τους µε µεταξύ κενά για την µείωση του πλάτους του tombolo Βέλτιστος προσανατολισµός εισόδων λιµένων για την µείωση της παγίδευσης φερτών (αναπόφευκτη η περιοδική βυθοκόρηση) Περιοδικός εµπλουτισµός διαβρωµένων ακτών µε υλικό κατάλληλα διαβαθµισµένο, και κατάλληλο καθορισµό του συντελεστή «υπερπλήρωσης». Το αναγκαίο ποσοστό υπερπλήρωσης R A ανάλογα µε τις κοκκοµετρικές ιδιότητες του φυσικού υλικού (δείκτης n) και του δανείου (δείκτης b) δίνεται στο διάγραµµα -40-
ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΩΝ Ποσοστόυπερπλήρωσης ανάλογα µε τις κοκκοµετρικούςπαραµέτρους Μ,σ -41-
ΑΣΚΗΣΗ 10.1 Να υπολογιστεί αν ο πυθµένας είναι σταθερός κάτω από τη δράση κυµατισµού µε Η = 1.2m,Τ Τ = 4.5secκαι ρεύµατος µε U = 0.35m/sec. Το βάθος του νερού είναι d = 3.5m,, η µέση διάµετρος της άµµου D 50 = 200µm και το ύψοςτων αµµοκυµατίων z s = 2cm. (δίνονται: γ s = 26.5kN kn/m 3 και k sw =0.5 z s ) -42-
ΑΣΚΗΣΗ 10.2 Γιατις φυσικές συνθήκες της ΑΣΚΗΣΗΣ 10.1να υπολογιστούν οι συνιστώσες και η συνισταµένη της προκαλούµενης στερεοµεταφοράς. -43-
ΑΣΚΗΣΗ 10.3 Ακτήκλίσης κλίσης πυθµένα m=2% 2%που αποτελείται από άµµο µε D 50 =0.3mm πλήττεται συστηµατικά από κυµατισµό µε Ho= = 2.3mκαι T = 6.5sec. i. Να τεκµηριωθεί η διαβρωτική δράση του κυµατισµού. ii. Να υπολογιστεί το βάθος στο οποίο επιδρά ο κυµατισµός στο υλικό του πυθµένα. iii. Εάν πριν από τη γραµµή θραύσης του κυµατισµού, κατασκευαστεί για αντιδιαβρωτική προστασία διαφραγµατικός κυµατοθραύστης, να υπολογιστεί το απαραίτητο βύθισµά του ώστε ο κυµατισµός να µην προκαλεί διάβρωση. -44-
ΑΣΚΗΣΗ 10.4 Σε αµµώδη ακτή κλίσεως πυθµένα m=3% 3%,, θραύονται συστηµατικά κυµατισµοί µε στοιχεία H b = 1.8m, a b = 10, d b = 2.3m.. Η ετήσια συχνότητα δράσης των κυµατισµών είναι f = 1.5%. i. Να υπολογιστεί η ετήσια παράκτια στερεοµεταφορά κατά µήκος της ακτής. ii. Αν κατασκευαστεί στην ακτή κάθετος βραχίονας που παγιδεύει όλη τη τ στερεοµεταφορά, να υπολογιστεί a) η προσάµµωση ανάντη του βραχίονα και b) το µήκος της επίδρασης του βραχίονα κατά µήκος της ακτής µετά από 5 έτη. Το βάθος επίδρασης του κύµατος στην περιοχή της παράκτιας στερεοµεταφοράς ταφοράς είναι h=2.5d b -45-