Κατανομή κυματικών πιέσεων εντός ύφαλης πορώδους κατασκευής

Abstract

Ένα ερευνητικό πεδίο ευρέως διαδεδομένο ήταν ανέκαθεν η προστασία της παράκτιας ζώνης, λόγω των πολύπλοκων φυσικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα σε αυτή. Στην κατεύθυνση αυτή έχει αρχίσει ευρέως η κατασκευή κυματοθραυστών και ιδιαίτερα κυματοθραυστών χαμηλής στέψης ή ύφαλων. Μέχρι πρόσφατα ο σχεδιασμός των τεχνητών ύφαλων κατασκευών αφορούσε αποκλειστικά την προστασία της ακτής, σήμερα, λόγω της αυξημένης αναγκαιότητας και της μεγαλύτερης ευαισθητοποίησης σε περιβαλλοντικά ζητήματα, η κατασκευή του αφορά και την διατήρηση της θαλάσσιας χλωρίδας και πανίδας. Γι’ αυτό τον λόγο, η κατασκευή ενός υποθαλάσσιου κυματοθραύστη εξυπηρετεί διπλό σκοπό: α) την προστασία της ακτής και β) την διατήρηση και προώθηση της θαλάσσιας χλωρίδας και πανίδας. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό η σημασία των ύφαλων διαπερατών κατασκευών αυξάνεται σταθερά λόγω των περιβαλλοντικών πλεονεκτημάτων τους έναντι των έξαλων κατασκευών. Μια βασική παράμετρος για να αξιολογηθεί κατά πόσο μπορεί να αποτελέσουν τοπικό οικότοπο και για ποιά είδη είναι η πίεση στο πορώδες του έργου. Στη παρούσα εργασία αναπτύσσεται ένα μοντέλο, το οποίο βασίζεται σε ένα μη γραμμικό προφίλ που προέκυψε από την εξίσωση ορμής των Darcy-Forchheimer και ένα τροποποιημένο μοντέλο Boussinesq που λαμβάνει υπόψη και το πορώδες της κατασκευής (Avgeris et al., 2004). Για τον υπολογισμό της κατανομής των πιέσεων εισάγεται στο μοντέλο η τιμή της οριζόντιας ταχύτητας εντός του πορώδους από το υπολογιστικό μοντέλο των Metallinos & Memos, (2012). Η κατανομή των μέγιστων πιέσεων (τόσο συνολικών πιέσεων όσο και υδροδυναμικών) συγκρίθηκαν με πειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν στην διώρυγα «Δημήτρης Κοιλάκος» του Εργαστηρίου Λιμενικών Έργων στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Τα πειράματα διεξήχθησαν στη διώρυγα δοκιμών «Δημήτρης Κοιλάκος» με 27 m μήκος, 0.90 m πλάτος και 1.53 m ύψος εφοδιασμένη με κυματογεννήτρια που παρήγαγε απλούς μονοχρωματικούς κυματισμούς. Το ύψος του κυματοθραύστη ήταν 0.4 m και το πλάτος στέψης 1.0 m. H κατασκευή διαμορφώθηκε από φυσικούς ογκολίθους με μέση διάμετρο d50=0.08 m και κλίση πρανών 1:2. Tα πειραματικά δεδομένα συλλέχτηκαν σε 3 διατομές κατά πλάτος του κυματοθραύστη και με κατακόρυφη απόσταση μεταξύ των σημείων λήψεως των μετρήσεων ίση με 5 cm. Επίσης για την βαθμονόμηση του εκθετικού προφίλ των μέγιστων πιέσεων του νερού έγιναν μετρήσεις ακριβώς στα ανάντη εκτός του πορώδους μέσου, με κατακόρυφη απόσταση μεταξύ των σημείων λήψεως των μετρήσεων ίση με 10 cm. Χρησιμοποιήθηκαν τέσσερα κυματικά σενάρια για βάθος νερού d=0.5 m και τρία κυματικά σενάρια για βάθος d=0.45 m. Το πορώδες της κατασκευής, δηλαδή ο λόγος του όγκου των κενών προς τον συνολικό όγκο, ήταν φ=0,52. Συμπερασματικά, ένα κυματικό μοντέλο Boussinesq σε συνδυασμό με ένα προφίλ πιέσεων επέτρεψε την ικανοποιητική εκτίμηση των μέγιστων πιέσεων του νερού λόγω κυματισμού, στο εσωτερικό ύφαλης κατασκευής. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που βασίζονται σε ένα μοντέλο Boussinesq ελαφρά μη γραμμικό με βελτιωμένα χαρακτηριστικά διασποράς των Avgeris al. (2004), σε συνδυασμό με την εξίσωσης ορμής του Darcy-Forchheimer για μη θραυόμενους και θραυόμενους κυματισμούς, συγκρίθηκαν με τα πειραματικά δεδομένα και η σύγκριση έδειξε ότι αυτή η απλή μέθοδος είναι σε θέση να προβλέπει με ικανοποιητική ακρίβεια την μέγιστη πίεση (συνολική και υδροδυναμική) στο εσωτερικό του πορώδους μέσου. Παράλληλα εκτιμήθηκε και η μεταβολή της πίεσης συναρτήσει της καμπυλότητας των κυμάτων, δηλαδή του λόγου του ύψους κύματος και του μήκους κύματος του κυματισμού.

In the last few decades, submerged breakwaters have been used in costal zones for shoreline protection and to prevent beach erosion. In most of the cases these structures are rubble mound permeable breakwaters whose design is based on empirical rules. In modern times a desirable feature of submerged breakwaters (and low crested structures, in general) is that they do not interrupt the clear view of the sea from the beach. This aesthetic feature is important for maintaining the touristic value of many beaches and it is usually one of the considerations in using such structures foe shoreline protection. The protection afforded by (submerged breakwaters) S.B. on the leeward side reduces the energy of waves, and thus the movement of sediment, and eventually modifies the morphology of the coastal zone. In agreement with the purpose and the role of these structures, many investigations examining in detail the phenomena occurring around S.B have been developed over time. By contrast, the hydrodynamic field inside a porous S.B. is of great interest only the last few years and that is the reason that there are a limited number of relevant publications. However, nowadays, the need for environmental awareness is becoming increasingly urgent and the role of engineering in the design of such structures becomes even more complex. A challenge of recent years is to design S.B. which will serve a double purpose: a) coastal protection and b) the minimal degradation of the marine environment if not its enrichment. A key parameter to assess the shelter they provide to the local habitats is the pore pressure in the rockfill of the structure. In the present study, a weakly nonlinear Boussinesq-type model (Madsen and Sørensen, 1992) with improved linear dispersion characteristics was used to describe wave motion in the region upstream of the breakwater. These Boussinesq equations are solved in conjunction with a depth-averaged Darcy-Forchheimer (momentum) equation, describing the flow inside the porous medium (Cruz et al., 1997). The pore pressure is calculated by introducing to the model the maximum value of the horizontal water particle velocity in the interior of the structure, as it is proposed by Metallinos & Memos, (2012). This model has been verified by experimental tests, which were conducted in the Laboratory of Harbor Works of the National Technical University of Athens in a 27 m long, 0.90 m wide and 1.53 m high glasswalled wave flume equipped with a flap-type wave-maker, generating regular waves. The height of the structure was 0.4 m and the crest width 1.0 m (Fig. 2). The structure was made of natural stones with d50=0.08 m sloping 1:2 at both sides. The experimental data were collected on three sections at 16 points with 0.05 m intervals along the vertical and on one section outside the structure at points with 0.10 m intervals along the vertical. The tests have been conducted for monochromatic waves, breaking and non breaking. Furthermore, it has been studied the connection between pore pressure and wave steepness.