Накат волны

Волны нападают на облицовку в графстве Уиклоу , Ирландия .

Определения наката и спада волны.

Накат волны — это высота, на которую волны поднимаются по склону облицовки , берега или дамбы волны , независимо от того, разбиваются или нет. И наоборот, скат волны — это высота, на которую отступают волны. Эти высоты всегда измеряются вертикально (а не вдоль склона). Высота наката волны, обозначаемая $R_{u}$, ${R_{up}}$, или $z$, является очень важным параметром в прибрежном строительстве , поскольку вместе с расчетным максимальным уровнем стоячей воды он определяет необходимую высоту гребня дамбы или дамбы.

История

График, показывающий накат волны, измеренный Лоренцем. По оси X показана глубина воды в метрах, а по оси Y — накат волны. Показаны сравнения измерений Лоренца, текущего руководства по превышению EurOtop и данных наблюдений.

Первые научные измерения набега волн были проведены Комитетом Лоренца в рамках подготовки к работам по перекрытию Зейдерзее . Комитет измерил высоту волны и накат волн в различных местах в 1920 году, но установил, что современные методы измерения волн в полевых условиях во время штормов были недостаточными. В результате были также предприняты масштабные испытания, но их эффективность также оказалась очень ограниченной из-за того, что только регулярные волны (идеализированные периодические волны с постоянной амплитудой и фиксированным периодом времени между последовательными гребнями волн, имеющими синусоидальную структуру) ) можно было смоделировать в то время.

Методы и технологии, доступные комитету в то время, не позволяли моделировать более реалистичные и сложные нерегулярные волны (состоящие из различной высоты, периода и направления), которые обеспечивают более точное представление реальных условий, с которыми сталкиваются прибрежные сооружения и береговые линии.

Однако выяснилось, что глубина перед дайкой очень важна для набега волн и что, по крайней мере для диапазона наблюдений в измерениях комиссии, коэффициент наклона не играет большой роли. Почти все дамбы в Нидерландах в то время имели уклон 1:3.

Современные данные показывают, что во время штормов и на пологих прибрежных склонах значительная высота волн составляет примерно половину глубины воды. Эта зависимость кажется точной, и наблюдение более выражено для наклонов около 1:3.

Это исследование было продолжено во время работ в Зейдерзе и в конечном итоге привело к (старой) Делфтской формуле для наката волны:

$Ru=8H\tan \alpha$

в котором:

• $Ru$ это разбег,
• $H$ - (регулярная) высота волны у носка и
• $\alpha$ – уклон рассматриваемой конструкции.

Эта формула оказалась в целом применимой для пологих склонов и относительно крутых (штормовых) волн. Впоследствии было обнаружено, что более длинные волны (зыбь) приводят к более сильному накату. Чтобы учесть это, период волны был включен в формулу с использованием числа Ирибаррена : $\xi$, что привело к разработке формулы Ханта:

${\frac {Ru}{H}}=\xi ={\frac {\tan \alpha }{(H/L_{0})^{\frac {1}{2}}}}$

Эта формула справедлива и для регулярных волн. Формула Старого Делфта и формула Ханта идентичны для волн крутизной 1/64, или около 2%. Для более высоких значений $\xi$, формула Ханта имеет предельное значение: $\xi >2{.}5$ $\rightarrow$ $Ru/H=2{.}5$.

ван дер Меер, TAW и продолжающаяся разработка формул

В 1988 году ван дер Меер предоставил формулы для набега волн на волноломы из каменных насыпей, основанные на испытаниях на прямых склонах, покрытых каменной бронёй. Он также ввел условный коэффициент проницаемости. $P$ для структуры. Этот фактор также учитывает влияние объема пор. Определение $R_{up}$ на начальном уровне вероятности превышения $p$, формула, справедливая для $0.1\leq P\leq 0.6$ и встречные волны:

${\frac {R_{up}}{H_{s}}}={\begin{cases}a\xi _{m}&{\text{for }}\xi _{m}<1.5\\b\xi _{m}^{c}&{\text{for }}\xi _{m}>1.5\end{cases}}$

Термин ${\frac {R_{up}}{H_{s}}}$ достигает постоянного максимального значения, равного $d$ в случае проницаемых структур, т.е. $P>0.4$. Это соответствует области набегающих волн, где реального обрушения волн нет и где крутизна волн и угол наклона не влияют на накат. Коэффициенты $a,b,$ $c$ и $d$ представлены в таблице ниже:

Превышение разбега уровень вероятности, p%	а	б	с	д
0.1	1.12	1.34	0.55	2.58
2	0.96	1.17	0.46	1.97
5	0.86	1.05	0.44	1.68
10	0.77	0.94	0.42	1.45
50	0.47	0.60	0.34	0.82

Значения коэффициентов подчеркивают значительную изменчивость уровня наката от одной волны к другой в нерегулярных морях. Что касается уровней набега на гладких склонах, в работе Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen ( английский язык : Технический консультативный комитет по водной защите) в Нидерландах в 1974 году обсуждалось снижение набега из-за различных типов шероховатости поверхности.

Нерегулярные волны

В практических сценариях волны являются нерегулярными и состоят из комбинации волн различной высоты, периода и направления. Эти волны обычно анализируются с использованием статистических методов и спектрального анализа, что обеспечивает более точное представление о фактических условиях, с которыми сталкиваются прибрежные сооружения и береговые линии. Следовательно, невозможно определить одно значение наката волны. накат волны с определенной вероятностью превышения Вместо этого используется , обычно устанавливаемой на уровне 2%. Этот накат волны представляет собой высоту, которую превышают 2% волн в волновом поле.

Исследования показывают, что накат волн подчиняется распределению Рэлея , подобно самим волнам. Значение вероятности превышения было выбрано достаточно малым, чтобы предотвратить повреждение внутреннего склона набегающими волнами. Значение 2% было принято на международном уровне и было произвольно выбрано голландской лабораторией Waterloopkundig незадолго до 1940 года. Учитывая функцию, также могли быть возможны 1% или 5%. Выбор 2% был основан на продолжительности экспериментальных планов, поскольку полное испытание можно было провести за полдня.

В 1972 году Юрьен Баттьес по заказу Голландского технического консультативного комитета по защите от наводнений обобщил имеющиеся исследования и предоставил прочную теоретическую основу. Эта работа привела к созданию улучшенной версии формулы Ханта, которая явно включала параметры угла падения волн, эффекта бермы и неровности склона. Однако имеющихся экспериментальных данных по шероховатости и берме было недостаточно для установления окончательной формулы.

Последующие исследования были проведены в последующие годы с упором на перекрытие волн как более показательный фактор для высоты дамбы, чем накат волны. Результатом этого исследования в 2002 году стал технический отчет голландской организации TAW. Формула наката волны, упомянутая в этом отчете, продолжает использоваться, и она принята в руководстве EurOtop. Область действия была дополнительно расширена в руководстве EurOtop с измененными формулами.

Современные формулы наката волны

Накат волны на голландской дамбе с блоками Харингмана

График, показывающий различные коэффициенты снижения шероховатости для строительных материалов дамб

Накат волны для разных материалов с наклоном 1:3. Накат волны рассчитывается по формуле:
${\frac {Ru_{2\%}}{H_{m0}}}=1.7\gamma \xi _{m-1,0}H_{m0}$,
где $\gamma$ – коэффициент приведения и $\xi _{m-1,0}$ это число Ирибаррена. Различные материалы имеют разные коэффициенты шероховатости, влияющие на высоту наката волны. На этом графике сравнивается накат волны для двухслойного армированного камня, однослойного армированного камня и асфальта для волнолома с T=6 с, Lo=100 м, $\beta$=0 и ширина бермы =3м.

В руководстве EurOtop приведена общая формула (формула 1.4 в руководстве). для наката волны:

${\frac {Ru_{2\%}}{H_{m0}}}=1.7\gamma \,\xi _{m-1,0}$

с максимальным значением около 3. Число Ирибаррена $\xi _{m-1,0}$ затем используется на основе периода, определенного с использованием первого отрицательного момента спектра волны. Кроме того, $\gamma$ – коэффициент уменьшения для факторов, описанных ниже.

Следующее уравнение справедливо:

$\gamma =\gamma _{b}\gamma _{f}\gamma _{\beta }$

в котором:

• $\gamma _{b}$ представляет собой уменьшение бермы. Берма особенно эффективна, когда она расположена на уровне стоячей воды (т.е. расчетном уровне воды). Для типичной голландской дамбы (уклон 1:3, крутые волны) справедливо следующее уравнение: $\gamma _{b}\approx {\frac {6}{B/H_{m0}+6}}$, в котором $B$ это ширина бермы. Приемлемый диапазон для этого составляет $0.6<\gamma _{b}<1.0$.
• $\gamma _{\beta }$ – приведение для косо приближающихся волн, $\gamma _{\beta }=1-0.0022\,\beta$, в котором $\beta$ — угол подхода волн в градусах (0 ° — перпендикулярный подход)
• $\gamma _{f}$ это эффект шероховатости. Для определения этого коэффициента можно использовать следующую таблицу:

Тип ссылки	$\gamma _{f}$
Конкретный	1.0
Асфальт	1.0
Бетонные блоки	1.0
Трава	1.0
Базальтовые колонны	0.90
Базалтон	0.90
Гидроблок , блок Харингмана	0.90
Открытый каменный асфальт	0.90
Хиллблок, Ронатай	0.70 - 0.80
Один слой бронекамня	0.70
Двойной слой бронекамня	0.55

Предусмотрен широкий диапазон материалов Hillblock и Ronataille, поскольку их коэффициент уменьшения зависит от высоты волны. Аналогичное явление происходит и с травой. Под воздействием высоких волн натуральная трава становится очень гладкой, что приводит к снижению коэффициента $\gamma _{f}=1{.}0$. Однако для волн меньшего размера — примерно 25 сантиметров (9,8 дюйма) или меньше — натуральная трава имеет тенденцию быть намного грубее. В таких случаях можно выбрать понижающий коэффициент $\gamma _{f}$ ниже 1,0.

При работе с короткогребневыми волнами наибольший накат вызывают встречные волны (с углом падения, $\beta =0$) и соответствует накату волн с длинными гребнями. Для пологих склонов разбег немного уменьшается с увеличением $\beta$. Спад обычно составляет от трети до половины разбега. Для волноломов и ограждений, построенных из каменной брони , максимальный уровень спуска может указывать на минимальное расширение вниз основной брони и потенциальный верхний уровень для установки бермы с меньшим размером брони.

Волна скатывается

Для спада волны существует аналогичная формула:

${\frac {Rd_{2\%}}{H_{m0}}}={\tfrac {1}{3}}\gamma _{f}\xi _{m-1,0}$

Знак наводнения

двойные линии обломков на дамбе вдоль Батполдера, Зеландия

После штормов на склоне часто остается слой плавающего мусора, известный как след наводнения или обломки. Эта отметка прилива указывает максимальный накат волны во время предыдущего шторма. Поскольку отметка наводнения расположена вблизи высоты максимального набега волны, а уровень воды обычно хорошо фиксируется близлежащими приливными станциями, рассчитать Ru _2% шторма несложно, вычитая наблюдаемый уровень штормового нагона из наводнения. отметка уровня.

В прошлом власти Нидерландов систематически записывали эти наблюдения для большинства дамб, в результате чего собирались данные о высоте отметок паводка для каждого участка дамбы. Статистические данные о высоте отметок паводка можно использовать для определения высоты дамбы, которая должна включать расчетный уровень воды плюс высоту безопасности (надводный борт). Высота надводного борта при расчетном уровне воды должна быть равна максимально допустимому набегу волны.

Для дамбы с допустимой вероятностью превышения нагрузки в год, например 1/500 (как при временном укреплении дамбы в Остершельде ), необходимо определить накат волны 1/500. Это можно рассчитать, если известна высота волны 1/500 у подножия дамбы. Однако это значение редко измеряется и должно определяться с использованием вычислительной модели, такой как SWAN. Во многих случаях этот процесс может быть сложным и подвержен ошибкам.

Анализируя высоту отметок наводнения, который включает простое нанесение данных на логарифмическую бумагу, можно напрямую получить такие значения, как накат волны 1/500, и, следовательно, необходимую безопасную высоту. Пример этого можно наблюдать на прилагаемой фотографии линий наката и отметок паводка на дамбе вдоль Батполдера в Зеландии . На фотографии показаны две линии отметок наводнения, которые представляют собой накат волн двух последующих штормов (12 октября 2009 г., с уровнем воды на высоте 2,2 метра (7 футов 3 дюйма) и 1,9 метра (6 футов 3 дюйма) над средним уровнем моря. уровень) в Батполдере. На переднем плане — склон с блоками Харингмана, на заднем — склон Эластокоста. Высота волн во время этих штормов составляла примерно 0,5 метра (1 фут 7,7 дюйма). Накат волны составлял 0,8 и 0,85 метра (2 фута 7 дюймов и 2 фута 9 дюймов) над уровнем штормового нагона на Эластокосте и на 1,05 и 1,1 метра (3 фута 5 дюймов и 3 фута 7 дюймов) выше штормового нагона. уровень на блоках Харингмана. Уклон склона здесь составляет 1:4,2. Поскольку размер блока Харингмана составляет ровно 50 сантиметров (19,7 дюйма), разбег можно оценить на этой фотографии. Последующий анализ показывает, что коэффициент приведения γ _f для блоков Харингмана здесь равен 1,0, а для Elastocoast — 0,8.

Имитация наката волны

Моделирование набега волны на Ваддензедейке во Фрисландии

Для оценки безопасности дамбы и прочности ее травяного покрова, особенно со стороны моря или реки, можно использовать симулятор наката волны. Волновые условия, на которые рассчитана дамба, нечасты, а прочность травяного покрова различна. Эти условия дамбы можно воспроизвести на месте с помощью симулятора наката волны, что позволит менеджеру соответствующей системы защиты от наводнений определить, достаточно ли прочен травяной покров, чтобы противостоять ожидаемым волнам в экстремальных условиях.

Во время этих испытаний имитатор наката волны размещается на внешнем склоне и непрерывно заполняется водой с постоянным расходом. Створки в нижней части симулятора можно открывать в разной степени, что позволяет моделировать различные объемы набега волн.

Имитатор набега волны – один из методов оценки прочности травяного покрова. Другой подход предполагает использование съемника дерна , который может определять прочность дерна на растяжение и позволяет инженеру преобразовать эту прочность на разрыв в прочность под нагрузкой, вызванной накатом волны. Помимо моделирования наката волны, моделирование волновых воздействий и перехлеста волн может быть достигнуто с использованием специально разработанных генераторов и симуляторов.

Примечание

Накат волны не следует путать с волновым накатом (повышение уровня воды из-за известного волнения) или с ветровым нагоном ( штормовой нагон , повышение уровня воды из-за движущей силы ветра).

Ссылки

---

Общая ссылка

• Ван дер Меер, JW ; Оллсоп, Северный Западный Уэльс ; Брюс, Т .; Де Рук, Дж .; Кортенхаус, А .; Пуллен, Т. ; Шюттрампф, Х .; Трох, П. ; Зануттиг, Б. (2018): Евротоп. Руководство по волнению морских оборонительных сооружений и связанных с ними сооружений. Превосходное руководство, в основном основанное на европейских исследованиях, но для применения во всем мире , Рейксватерштат и Агентство по охране окружающей среды.

---