Υδροδυναμικές συνθήκες σε ύφαλο διαπερατό κυματοθραύστη λόγω θαλασσίων κυματισμών

Abstract

Submerged breakwaters (SB), often rubble mound structures, are frequently built along the coast toreduce the impact of waves and currents affecting the shoreline, mainly by induced wave breaking, andto prevent beach erosion. This type of low-crested breakwaters enhances its acceptability due to itsenvironmental advantages mainly in easing water circulation near the surface reducing thus anyadverse impact on water quality, while ensuring the aesthetic value of the coastal landscape. Theseconsiderations demonstrate that the introduction of SB for protection of the coastal zone is a promisingfield of research. A solid understanding of the interaction between water waves and SB is thus vital,especially in SB with relatively steep slopes which are more commonly used.Only a little is known on how marine organisms respond to the SB’s presence. Hydrodynamicconditions, in the body of the structure, are known to be of significance for the habitation of marine lifewithin and around the barrier. Indeed, in assessing the ecological impact of such a structure,knowledge of hydrodynamic field in the interior of the structure is of prime importance. The main targetfor technical applications is trying to combine the structure’s technical efficiency with ecologicalrequirements. A key parameter to assess the shelter SB provide to the local habitats is the waterparticle velocity and pore pressure in the interior of the structure.In this study, in order to extent the applicability of a fully dispersive and highly nonlinear 2DHBoussinesq-type model presented by Chondros and Memos (2014), a depth-averaged Darcy equation,extended to include 2DH Forchheimer terms, calculating the flow within the porous medium followingthe approach of Cruz et al. (1997) and Avgeris et al. (2004). The modified Boussinesq-type model,referred to as mCM14 hereinafter, incorporates extra 2DH terms accounting for the interaction betweenthe waves over the structure and the flow within the porous breakwater. Also, a major point of thisstudy is to go a step further from the depth averaged velocity of the Boussinesq model in the interior ofthe structure and to present a method, that is not too difficult numerically, for estimating the distributionof horizontal particle velocities in two directions and respectively as well as pore pressures in theinterior of a submerged permeable structure. A velocity profile, based on a distribution of the nonlinearwave theory (Dingemans, 1997), is fitted to the numerically predicted depth-integrated velocity given bymCM14 in the SB interior. Further, another method based in the full form of Darcy-Forchheimerequation is reworked to obtain the pore pressure as a function of the velocities quantities.Due to the small number of experiments including wave propagation over SB with steep slopes and extreme porosity and practically the lack of laboratory measurements of velocities and pressures in theinterior of the structure, an adequate number of 1DH and 2DH experiments were conducted during thepresent research. Specifically, for the sake of comparison with the mCM14 model, laboratorymeasurements of free surface elevation, orbital velocities and pore pressures in the interior of an SBwere taken in a flume of the Laboratory of Harbour Works, National Technical University of Athens,involving 1DH regular long and short waves propagating over a SB with steep slopes and extremeporosity under breaking and non-breaking conditions. Furthermore, 2DH laboratory experiments werecarried out in a wave basin in the Hydraulic Engineering Laboratory, Department of Civil Engineering,University of Patras. Those tests included both measurements of free surface elevation over apermeable SB with steep slopes and 3D flow velocities inside the SB, under wave attack of regular andirregular (Jonswap) waves, including breaking or not breaking events.The aim of this study is to present and integrated coastal model in order to cover the most commonpractices in real life applications covering SBs with porosity and steep slopes, relevant wave breakingprediction and description of the hydrodynamic field in the structural interior due to sea waves.Furthermore, an original aspect of this study refers to laboratory comparative experiments over SB for1D and 2DH wave propagation.

Η προστασία της παράκτιας ζώνης αποτελούσε ανέκαθεν ένα προκλητικό πεδίο έρευνας για τους μηχανικούς λόγω της ευρείας πολυπλοκότητας των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα σε αυτή. Κατά το παρελθόν, ογκώδεις κατασκευές, όπως οι συμβατικοί έξαλοι κυματοθραύστες, που ξεπερνούσαν την μέση στάθμη θάλασσας, χρησιμοποιήθηκαν για την προστασία των ακτογραμμών από διάβρωση. Στη σύγχρονη εποχή όμως, δοκιμάζεται η χρήση νέων μορφών κατασκευών, όπως οι ύφαλοι ή μονίμως βυθισμένοι κυματοθραύστες (Υ.Κ.), οι οποίες προσδίδουν ήπια μορφή στα παράκτια έργα και των οποίων η σημασία τους αυξάνεται λόγω των περιβαλλοντικών πλεονεκτημάτων τους. Δεδομένου, ότι η έρευνα για τη θαλάσσια ζωή παρέχει πληροφορίες σχετικά με παράγοντες όπως οι απαιτούμενες ταχύτητες και πιέσεις για διάφορα είδη χλωρίδας και πανίδας, μια βασική παράμετρος για να αξιολογηθεί κατά πόσο μπορούν οι συγκεκριμένες κατασκευές να αποτελέσουν τοπικό οικότοπο είναι οι κινηματικές συνθήκες που αναπτύσσονται στο εσωτερικό των κατασκευών.Στο πλαίσιο αυτό, προέκυψε κατά τη διάρκεια της παρούσας διατριβής ένα μοντέλο τύπουBoussinesq (mCM14) προκειμένου να καταστεί δυνατός ο προσδιορισμός τόσο της κυματικής διάδοσης επάνω από ύφαλες διαπερατές κατασκευές όσο και των κινηματικών συνθηκών που αναπτύσσονται εντός τους. Ακολουθώντας την προσέγγιση των Cruz et al. (1997) και Avgeris et al.(2004), εισήχθησαν πρόσθετοι όροι στις βασικές εξισώσεις του μοντέλου των Chondros and Memos(2014) καθώς και μια επιπλέον εξίσωση ορμής Darcy-Forchheimer προκειμένου να περιγραφεί η διάδοση των κυματισμών επάνω από διαπερατούς Υ.Κ. μέσω της αλληλεπίδρασης των κυμάτων με το πορώδες μέσο. Επιπρόσθετα, βασιζόμενοι αρχικά σε ένα κατακόρυφο προφίλ ταχυτήτων που έχει εφαρμογή έξω από το σώμα της κατασκευής (Dingemans 1997), καταστρώθηκε ένα προφίλ ταχυτήτων και πιέσεων στο εσωτερικό ενός διαπερατού Y.K. Έτσι, προέκυψε ένα μοντέλο πρόβλεψης των ταχυτήτων και των πιέσεων που δύναται να αναπτυχθούν στο εσωτερικό ενός πορώδους μέσου όπου σε συνδυασμό με τις βασικές εξισώσεις Boussinesq παρέχει μία ολοκληρωμένη προσομοίωση τόσο των κινηματικών συνθηκών που αναπτύσσονται εντός της κατασκευής όσο και της διάδοσης των κυματισμών επάνω από αυτήν.Προκειμένου να επαληθευτεί το αριθμητικό μοντέλο mCM14 και λόγω του σχετικά περιορισμένου αριθμού κατάλληλων πειραμάτων στη διεθνή βιβλιογραφία πραγματοποιήθηκαν πειράματα στο Εργαστήριο Λιμενικών Έργων της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών, του Ε.Μ.Π. σε διώρυγα δοκιμών που περιελάμβαναν μονοδιάστατη διάδοση μονοχρωματικών κυματισμών και αφορούσαν μετρήσεις μέγιστων ταχυτήτων και πιέσεων στο εσωτερικό ενός Υ.Κ. με κλίσεις πρανών 1:2 καθώς και μετρήσεις ανύψωσης/ταπείνωσης ελεύθερης επιφάνειας για θραυόμενους ή μη μονοχρωματικούς κυματισμούς.Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκαν τρισδιάστατα (3D) πειράματα ταχυτήτων και μεταβολής στάθμης ελεύθερης επιφάνειας επάνω από πορώδη Υ.Κ. που κατασκευάστηκε σε δεξαμενή κυμάτων στο Εργαστήριο Υδραυλικής Μηχανικής, του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών και αφορούσαν 2DH διάδοση μονοχρωματικών και σύνθετων (Jonswap) κυματισμών ενώ η εν λόγω εργαστηριακή διάταξη επιβεβαιώθηκε από το αριθμητικό μοντέλο και σε αναγωγή σε φυσική κλίμακα μέσω ομοιότητας κατά Froude.Το μοντέλο mCM14 έδειξε γενικά ικανοποιητική απόκριση σε όλα τα πειραματικά δεδομένα, όπου σε συνδυασμό με την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων σε φυσική κλίμακα έδειξε ότι είναι κατάλληλο για τεχνικές εφαρμογές που περιλαμβάνουν διαπερατές κατασκευές, απότομες κλίσεις πρανών και θραυόμενους ή μη κυματισμούς. Τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής θα είναι ιδιαίτερα χρήσιμα τόσο σε μηχανικούς και παράκτιους βιολόγους όσο και γενικότερα στην επιστήμη της ακτομηχανικής. Ο συνδυασμός τόσο της επαρκούς πρόβλεψης της διάδοσης των κυματισμών πάνω από ύφαλες διαπερατές κατασκευές -άρα και η σωστή πρόβλεψη για τον σχεδιασμό της προστασίας της ακτής από διάβρωση- όσο και ο προσδιορισμός των υδροδυναμικών συνθηκών που αναπτύσσονται εντός των ύφαλων αυτών κυματοθραυστών –κατ΄ επέκταση η πρόβλεψη για την ελάχιστη δυνατή υποβάθμιση του θαλάσσιου περιβάλλοντος- αποκτούν ένα υψηλό επίπεδο καινοτομίας.