Колебания уровня воды. Эта важнейшая гидрологическая характеристика определяет не только высотные отметки территории порта и глубины на подходах и у причалов, но и форму крепления берега и конструкцию причальных сооружений. При значительных амплитудах колебаний уровня на свободных реках становится нерентабельным применение вертикального крепления берега и приходится переходить на менее удобное в эксплуатации откосное или полуоткосное.
Основной причиной изменения уровня на свободных реках является сезонное изменение расхода воды, хотя на ход уровней могут оказывать влияние и естественные переформирования русла реки и ледовые зажоры и заторы. В многолетнем периоде можно заметить существенное влияние деятельности людей на уровни воды. Так, на некоторых реках, где интенсивно проводились выправительные и дноуглубительные работы, замечается общее значительное снижение уровней воды, создающее серьезные затруднения в эксплуатации ранее построенных причалов.
На падение уровней могут оказать значительное влияние и большие расходы воды, забираемой на орошение и водоснабжение.
С образованием водохранилищ, имеющих большое зеркало водной поверхности, на ход колебаний уровня воды начинает влиять ветер. При действии ветра на поверхность воды на значительном протяжении, в результате трения между воздухом и водой, возникает сначала движение поверхностных частиц, которое затем, передаваясь на глубину, образует ветровое течение. Это течение способствует повышению уровня у наветренного берега— нагону, и понижению у подветренного — сгону. Амплитуды нагонов и сгонов воды на водохранилищах могут в отдельных случаях достигать 1 м и больше.
Еще более значительное влияние ветровые нагоны и сгоны имеют у отмелых берегов морей, в длинных сужающихся заливах и устьях рек. Здесь амплитуды колебания уровня достигают иногда 2—3 м. Так в устье Волги подъем воды при нагоне достигает 2 м, а понижение при сгоне — 1 м. В устье Дона — соответственно 2.5 и 2 м. В устье р. Невы неблагоприятное сочетание ветрового нагона с влиянием циклонов приводит к наводнениям, при которых уровень реки повышается более чем на 4 м.
У берегов открытых морей происходят приливно-отливные колебания уровня под действием астрономических факторов. В отличие от нагонов и сгонов воды, которые по существу случайны, приливы и отливы строго периодичны.
Приливы и отливы на Земле формируются главным образом под действием притяжения Луны и Солнца. Каждая частица водной оболочки Земли будет притягиваться Луной. Кроме того, на эту же частицу действуют центробежные силы от вращения Земли и Луны вокруг оси, проходящей через центр тяжести системы Земля—Луна. В результате сложения этих сил водная оболочка Земли должна деформироваться. В каждой точке земной поверхности в период лунных суток, равных 24 ч 50 мин, дважды наступает прилив (полная вода) и дважды отлив (малая вода).
Так как приливообразующая сила прямо пропорциональна массе и обратно пропорциональна кубу расстояния, то нетрудно вычислить, что действие Солнца будет примерно в 2.4 раза слабее действия Луны. Когда Луна, Земля и Солнце находятся на одной прямой, приливообразующие силы Луны и Солнца складываются и высота прилива будет наибольшей: При квадратурах, когда угол между направлениями с Земли на Луну и Солнце близок к прямому (первая и последняя четверти Луны), приливообразующие силы Луны и Солнца противодействуют и высота прилива будет наименьшей.
[adsshortcode]
Изложенная выше «астрономическая» схема приливных явлений в значительной степени корректируется «земными» причинами. На общую картину этих явлений накладывается прежде всего влияние инерции водных масс, а различные глубины моря, рельеф дна и очертания берегов в еще большей степени искажают правильный периодический характер приливов и отливов. Время запаздывания момента наступления полной воды по сравнению с моментом прохождения Луны через меридиан называется лунным промежутком. Средний лунный промежуток называется прикладным часом порта.
Амплитуды приливно-отливных колебаний уровня воды в открытых морях и океанах невелики — 1.5—2.0 м. Однако около морских берегов, в местах значительного влияния дна и берегов, и в особенности в глубине сужающихся заливов, происходит значительное усиление приливно-отливных явлений. Так, например, в заливе Фунди в Северной Америке амплитуда приливов и отливов достигает 15 м, у Атлантического берега Франции она изменяется от 2 до 12 м, у английских берегов—от 7 до 11 м. В отечественных морях эта амплитуда характеризуется следующими величинами: у Мурманского побережья—4.5 м, у горла Белого моря—5.5 м, в Мезенском заливе—6—8 м, в Пенжинской губе Охотского моря — 11м.
При расположении Земли, Луны и Солнца на одной линии (новолуние и полнолуние) приливообразующие силы Луны и Солнца складываются и возникает наибольший прилив — сизигия. Если Луна и Солнце по отношению к Земле находятся под прямым углом (первая и последняя четверти Луны), наступает наименьший прилив — квадратура.
Для наблюдений за изменениями уровней воды в каждом порту оборудуются специальные водомерные посты, причем на морях, где приливо-отливные колебания уровней наиболее ощутимы (ливные моря) наблюдения за ходом уровня выполняются непрерывно. В результате статистической обработки наблюдений определяется так называемый теоретический нуль глубин (ТНГ), от которого и отсчитываются все глубины в акватории порта и на подходном канале. Для морей с незначительными приливами (безливные моря) в каждом порту соответственно принимается «нуль порта», определяемый по результатам многолетних наблюдений и имеющий 90-98% обеспеченности).
Во внутренних морях приливно-отливные явления выражены весьма слабо: в Балтийском, Черном и Каспийском морях приливная амплитуда измеряется всего несколькими сантиметрами.
Волнение. На поверхности любого водоема могут возникать и перемещаться волны. Причины возникновения волн различны но главными можно считать землетрясения, силу притяжения Луны и Солнца и ветер. Землетрясения, эпицентр которых находится на дне океана, вызывают сейсмические волны, называемые цунами. Волны эти, почти незаметные для кораблей в открытом море, по мере приближения к берегу постепенно увеличиваются по высоте, и в результате на берег обрушиваются уже волны, высота которых может достигать десятков метров. Последствия воздействия таких волн катастрофичны. В 1896 г. действию цунами подверглась северо-восточная часть Японии. В вершинах заливов волны достигали высоты более 30 м, а на других участках побережья, общей протяженностью около 320 км, высота волны была от 4 до 25 м. Волны цунами меньшей разрушительной силы возникают в различных точках земного шара ежегодно. Ввиду того, что от момента землетрясения до подхода цунами к берегу проходят часы, за последние годы в ряде стран, подверженных цунами, удалось наладить службу предупреждения. Поэтому, хотя эти волны по-прежнему производят опустошительные действия на берегах, но число человеческих жертв сводится к минимуму. Ввиду случайной природы цунами ясно, что учет этих волн в инженерных расчетах сооружений затруднителен и связан с большими затратами при строительстве. Волны приливные в большинстве случаев проявляются лишь в виде медленного подъема и спада уровней.
[adsshortcodetwo]
Наибольший интерес для портостроения представляют волны, возникающие под действием ветра. Размеры и характер ветровых волн зависят как от скорости ветра и его продолжительности, так и от протяженности водной поверхности, на которой ветер действует на воду. Поэтому на реках, если исключить устьевые участки крупнейших рек (Оби, Енисея, Лены и др.), волны не вызывают каких-либо затруднений для перегрузочных работ у причалов, а силовое воздействие волн на сооружения так мало, что его не учитывают. На крупных водохранилищах высота волн достигает 4 м, а у открытых берегов морей и океанов — 10 м и более. При отсутствии естественной защиты на водохранилищах и морях акватории портов приходится ограждать специальными сооружениями — молами и волноломами, которые подвергаются мощному силовому воздействию волн. Для правильной компоновки оградительных сооружений и выбора их конструкции необходимо знать как основные параметры волн, так и повторяемость волн по различным направлениям.
Высота ветровых волн во внутренних морях достигает 5-7м. при длине 100-120 м., а в океанах — высота волн может достигать 10-15 м. при длине волн 200-400 м. Ветровые волны представляют собой сложные колебательные движения поверхностного слоя воды. Легкое дуновение ветра вызывает появление коротких волн (ряби). Усиление ветра усложняет структуру волнения, размеры волн при этом увеличиваются.
В зависимости от соотношения между характеристиками волнения, с одной стороны, и глубинами и уклонами, дна, с другой, выделяют следующие типы акваторий и зон действия ветровых волн:
-глубоководную I, где дно не влияет на основные характеристики волн;
-мелководную II, где дно оказывает влияние на развитие волн и их основные характеристики;
-прибойную III, где начинается и завершается разрушение волн;
-приурезовую IV, в пределах которой поток от разрушенных волн периодически накатывается на берег.
Основные параметры волны
высота волны h — вертикальное расстояние (а — в) между максимальной точкой гребня волны «a» и минимальной точкой ложбины волны «b»длина волны λв- горизонтальное расстояние (а — а) между смежными максимальными точками гребней волн.
Время прохождения через данную вертикальную плоскость двух смежных гребней или ложбин (точки «а» или точки «b») в секундах называется периодом волны и обозначается буквой Т. Профиль волны близок к трохоиде (заостренный гребень и пологая ложбина).
Гребни волны обычно имеют более крутую форму, чем ложбины, поэтому средняя волновая линия (линия, делящая высоту волны пополам) расположена несколько выше спокойного уровня воды (линии УВ).
Волны, сохраняющиеся некоторое время после прекращения действия ветра называются волнами зыби и имеют более правильную двухмерную форму. Волны зыби сохраняются лишь при глубине моря d. большей критической глубины dkr.
При подходе к вертикальной стенке и глубине вблизи стенки волны зыби отражаются от стенки, образуя так называемую стоячую волну, высота которой, в результате суммирования с волнами зыби, может достигать до величины двух высот волны глубоководной зоны.
Расчеты по определению исходных параметров волн дают их средние значения: высоты Н, длины К и периода Т. Для проектирования различных портовых объектов нужно знать высоты волн определенной обеспеченности. Под обеспеченностью любого параметра волны в системе волн понимается выраженное в процентах количество волн, у которых числовое значение параметра больше или равно, чем у остальных волн в ряду из 100 волн, проходящих непосредственно одна за другой через рассматриваемую точку акватории.
Большое значение для портостроения имеет дифракция волн — искривление лучей и изменение высоты бегущих волн, огибающих препятствия, или проходящих через узкость. При проникании волн на акваторию порта волны распластываются, а так как их гребни постепенно удлиняются, то высота волн довольно быстро уменьшается. На этом принципе основана защита акваторий портов от волнения при помощи оградительных сооружений. На акватории порта, кроме дифракции, может проявляться и рефракция волн под влиянием переменных глубин; кроме того, на волновой режим оказывает влияние отражение волн от оградительных и причальных сооружений, а также рассеяние энергии волн на участках с малыми глубинами.
Рефракция волн у берегов различного очертания:
а — прямолинейный берег; б — выпуклый; в – вогнутый
При движении вблизи побережья изменяются не только параметры волн, их скорость и период, но и происходит поворот фронта волны. Поворот фронта волны объясняется тем, что в глубоководной зоне фронт волны может двигаться под любым углом к берегу, а при уменьшении глубины ослабевает и скорость распространения волн. Участки фронта волны, попавшие на меньшие глубины, замедляют свое движение вследствие трения частиц воды о дно. Фронт волны искривляется, поворачивая параллельно берегу. Это явление называется рефракцией волны.
При подходе к оградительным сооружениям волны открытого моря частично отражаются или разбиваются ими, частично проходят на акваторию порта, на которой высоты волн и скорость ее движения резко снижаются. Явление затухания высоты волны на акватории порта называется дифракцией
Дифракция волн объясняется тем, что анергия волн при входе в порт определяется шириной ворот порта, а на акватории порта эта энергия распределяется на большую ширину (т.е. количество энергии на единицу длины фронта становиться меньше). Кроме того, затухание волны способствует гашению энергии у дна и стенок оградительных сооружений. Дифрагированные волны распространяются приблизительно по концентрическими окружностями.
Течения. На свободных реках скорости течений и их направления зависят от многих факторов, из которых важнейшими являются уклон реки, изменение уровня воды, плановая форма русла и распределение глубин.
При строительстве русловых портов на свободных реках следует по возможности не нарушать естественного режима реки устройством выступающих в русло сооружений. Образующиеся в зоне выступающих частей сооружений местные вращательные течения могут быть опасны как для судов, так и для самих сооружений — возможен размыв основания. Кроме того, такое вмешательство в жизнь руслового потока может привести к нежелательным явлениям на прилегающих участках русла реки. При эксплуатационных расчетах учитывают влияние скорости течения на движение судов.
Схема возникновения циркуляционного течения: а — за мысом; б — за молом.
У морских побережий течения вызываются различными причинами: ветром, волнами, приливно-отливными явлениями, разницей в температуре, плотности и солености воды и, наконец, разностью широт различных точек моря. Большое влияние на характер морских течений оказывает рельеф дна и конфигурация берега. Наибольшее практическое значение для портостроения имеют ветро-волновые и приливные течения, а также компенсационные течения, возникающие близ берегов у естественных или искусственных препятствий.
При фронтальном действии ветра образуется нагон, дополняемый перемещением воды вследствие волнения. Скапливающиеся у берега массы воды в отдельных местах узкими потоками периодически прорывают поток, образуя течения с большими скоростями. Если ветер действует под углом к линии берега, то образуются течения вдоль берега, затухающие по мере прекращения шторма. Скорость таких течений достигает иногда 1 м/с и больше. Не представляя опасности для судоходства и сооружений, эти течения нередко являются причиной заносимости подходных каналов и акваторий портов.
Приливно-отливные течения, почти не заметные в море, могут достигать значительных скоростей в проливах и устьях рек. Такие явления происходят, например, в горле Белого моря и в устье реки Мезени, где максимальные скорости достигают нескольких метров в секунду.
Ледовый режим. Реки и их различные участки, в зависимости от географического положения, замерзают в разные сроки. Продолжительность ледостава весьма различна — от нескольких дней до нескольких месяцев, а некоторые северные реки бывают покрыты льдом больше половины года. Желательно по возможности избегать участков берега, подвергающихся интенсивному воздействию льда во время ледохода. При всех условиях необходимо знать уровни воды во время ледохода и учитывать опасную зону действия движущегося льда на сооружения. В отдельных случаях необходимо прибегать к устройству специальных льдозащитных сооружений, устраняющих или ослабляющих воздействие льда на основные причальные сооружения порта. Для устранения влияния термического воздействия льда на сооружения рекомендуется устройство полыней. С этой целью используют специальные ледорезные машины или пневматические установки, стимулирующие таяние льда благодаря подъему глубинных более теплых масс воды.
Замерзание водохранилищ в зоне подпора ввиду отсутствия течений происходит в более ранние сроки, чем на участках свободных рек; освобождение ото льда водохранилищ происходит с запозданием. Разница в сроках нередко достигает 10—15 дней. Ледоход отсутствует — лед тает на месте. Так же спокойно происходит образование льда и у морских побережий. Можно лишь отметить, что замерзание морской воды вследствие ее солености происходит медленнее, чем пресной, а морской лед отличается большей вязкостью и пластичностью.
Вскрытие и замерзание отдельных участков реки, в зависимости от географического их положения, может происходить в сроки, отличающиеся до месяца (например, участки р. Волги у Астрахани и у Нижнего Новгорода). Неодновременно происходят эти явления и на различных участках у морского побережья. Даты конца весеннего ледохода и начала осеннего определяют физическую длительность навигации. К сожалению, физическая длительность навигации весьма подвержена изменениям, и поэтому для правильного выбора расчетной ее величины необходимы данные многолетних наблюдений. По этим данным составляют графики обеспеченности длительности навигации и по ним назначают расчетную длительность, используемую в процессе проектирования портов. Чем больше навигационный период, тем большее количество грузов может быть перевезено по водному пути.