Βελτιστοποίηση διάταξης συστήματος προβόλων

Abstract

Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η βελτιστοποίηση της διάταξης ενός συστήματος προβόλων, ώστε να περιορίζεται η διάβρωση που προκαλείται στην παρακείμενη ακτή εξαιτίας της επίδρασης των κατασκευών αυτών στο ισοζύγιο των φερτών υλών στην παράκτια ζώνη. Μελετάται η επίδραση ενός συστήματος προβόλων μεταβλητού μήκους στη μορφολογία της ακτογραμμής, για διάφορα κυματικά σενάρια και ακτές με διαφορετική κλίση πυθμένα και διάμετρο κόκκων ιζήματος. Αρχικά γίνεται μια περιγραφή της παράκτιας ζώνης και των διεργασιών που συμβαίνουν σε αυτή. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη μεταφορά των ιζημάτων στην παράκτια ζώνη και τον υπολογισμό των δύο συνιστωσών της –της παράλληλης και της εγκάρσιας προς την ακτή. Επίσης, αναφέρονται συνοπτικά τα έργα προστασίας της ακτής από διάβρωση, ενώ περιγράφονται εκτενώς η λειτουργία και οι βασικές παράμετροι σχεδιασμού ενός συστήματος προβόλων. Οι πρόβολοι λειτουργούν ως εμπόδια στην παράκτια στερεομεταφορά, συγκρατώντας σημαντικές ποσότητες ιζήματος ανάντη και προκαλώντας έτσι διάβρωση στα κατάντη. Η σταδιακή μείωση του μήκους των προβόλων προς τα κατάντη είναι ένα από τα μέτρα που προτείνονται για την ομαλή μετάβαση από το σύστημα των προβόλων στην παρακείμενη ακτή και τον περιορισμό της κατάντη διάβρωσης. Για την μελέτη ενός μη συμβατικού συστήματος προβόλων και την εκτίμηση της ποσότητας του ιζήματος που περνά κατάντη αυτού γίνεται υπολογισμός της στερεομεταφοράς από τις αναλυτικές σχέσεις της βιβλιογραφίας και χρησιμοποιούνται διαγράμματα κατανομής της παράλληλης προς την ακτή συνιστώσας της. Στη συνέχεια εφαρμόζονται τρία αριθμητικά μοντέλα -κυματικό (PMS), υδροδυναμικό (HD) και στερεομεταφοράς (ST)- του εμπορικού υπολογιστικού πακέτου MIKE21 του Danish Hydraulic Institute (DHI) για σύγκριση των αποτελεσμάτων με αυτά των αναλυτικών σχέσεων. Επιπλέον, από τα αποτελέσματα των αναλύσεων του MIKE21 παράγονται διαγράμματα τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σύγκριση των διαφορετικών διατάξεων προβόλων καθώς και επιλογή της βέλτιστης διάταξης. Από τα αποτελέσματα του MIKE21 προκύπτει ότι βέλτιστη διάταξη ενός συστήματος προβόλων είναι αυτή στην οποία το μήκος των προβόλων μειώνεται προς τα κατάντη κατά μήκος μιας ευθείας που ενώνει τις κεφαλές των προβόλων και σχηματίζει με την ακτή γωνία φ=6ο περίπου. Στα περισσότερα σενάρια που εξετάστηκαν για τη συγκεκριμένη τιμή της γωνίας φ το ποσοστό της κατά μήκος της ακτής στερεομεταφοράς που διαφεύγει κατάντη του συστήματος λαμβάνει τη μέγιστη τιμή. Τέλος, προτείνεται μια μεθοδολογία για το σχεδιασμό ενός συστήματος προβόλων με βελτιστοποιημένη διάταξη ώστε να μη διαταράσσεται η ισορροπία της παρακείμενης ακτής και να περιορίζεται στο ελάχιστο η κατάντη διάβρωση.

The aim of this research is the optimization of a groyne system so as to prevent the erosion of the adjacent beach, as well as the investigation of how a groyne field affects coast’s morphology and its impacts on the regime of sediment transport. Firstly, coastal zone and the physical processes which take place in it (currents, sediment transport) are described. Furthermore, shore protection projects are described, focusing on groyne fields, their function and basic design rules. Groynes work by blocking (part of) the littoral drift, whereby they trap sand on their updrift side causing erosion on the adjacent beach. To allow more bypassing and limit downdrift erosion groyne lengths are gradually shortened. Analytical equations and figures of sediment transport are used in order to estimate the percentage of transport rate which by-passes around groynes’ tips. Moreover, the computational program MIKE21 of Danish Hydraulic Institute (DHI) is used for the simulation of wave propagation, current flow and sediment transport and comparison of the results is made with analytical equations, as well. The results from different scenarios are presented in figures “by-passing-percentage (j) – angle (φ) – spacing to length ratio (R)” which can be used for the selection of the most optimum system. In most cases the optimum value of the angle φ (a line converging to the shoreline from the tips of groynes making with the natural shoreline) is about 6o. For this value, which is also proposed by ASCE (1994), the maximum amount of sediment by-passing in the adjacent beach is reached. To conclude, a methodology for the design of a system of shortening groynes is described in detail.