Введение
Волнолом – это стационарное сооружение, возводимое в прибрежной зоне для защиты от приливов, течений, волн и штормовых нагонов. Волноломы строятся с античных времен для защиты стоянок судов, помогая изолировать их от морских опасностей, таких как ветровые волны. Волнолом, также известный в некоторых контекстах как пирс или моле, может быть соединен с берегом или стоять отдельно, и может включать в себя пешеходную или автомобильную дорогу для доступа транспорта. Являясь частью системы берегового управления, волноломы устанавливаются параллельно берегу для минимизации эрозии. На пляжах, где береговой перенос угрожает эрозии пляжного материала, могут устанавливаться более мелкие сооружения, обычно перпендикулярные линии воды. Их действие на волны и течение направлено на замедление берегового переноса и предотвращение размыва пляжного материала. В этом случае их чаще называют волнорезами.
A breakwater is a permanent structure constructed at a coastal area to protect against tides, currents, waves, and storm surges. Breakwaters have been built since Antiquity to protect anchorages, helping isolate vessels from marine hazards such as wind driven waves. A breakwater, also known in some contexts as a jetty or a Mole, may be connected to land or freestanding, and may contain a walkway or road for vehicle access. Part of a coastal management system, breakwaters are installed parallel to the shore to minimize erosion. On beaches where longshore drift threatens the erosion of beach material, smaller structures on the beach may be installed, usually perpendicular to the water's edge. Their action on waves and current is intended to slow the longshore drift and discourage mobilisation of beach material. In this usage they are more usually referred to as groynes.
Цели
Волноломы снижают интенсивность волнового воздействия в прибрежных водах и тем самым обеспечивают безопасную стоянку судов. Волноломы также могут представлять собой небольшие сооружения, предназначенные для защиты пологих пляжей от береговой эрозии; они размещаются в море в относительно мелководных районах. Якорь безопасен только в том случае, если пришвартованные суда защищены от силы мощных волн каким-либо крупным сооружением, за которым они могут укрыться. Естественные гавани формируются такими преградами, как мысы или рифы. Искусственные гавани могут быть созданы с помощью волноломов. Плавучие гавани, такие как гавани "Малберри" в день Д, были доставлены на место и выполняли функцию волноломов. Некоторые естественные гавани, такие как Плимутский пролив, Портландская гавань и Шербур, были укреплены или расширены волноломами из каменной наброски.
Типы
Типы волноломов включают вертикальные волноломы, насыпные волноломы и насыпные волноломы с надстройкой или композитные волноломы. Конструкция волнолома предназначена для поглощения энергии волн, воздействующих на него, либо за счет массы (например, с использованием кессонов), либо за счет уклона облицовки (например, с использованием каменной или бетонной брони). В береговой инженерии облицовка – это сооружение, подпираемое сушей, а волнолом – сооружение, подпираемое морем (то есть вода с обеих сторон).
Руины
Волноломы из каменной наброски используют структурные пустоты для рассеивания энергии волн. Они состоят из навалов камней, более или менее отсортированных по удельному весу: более мелкие камни для ядра и более крупные камни в качестве защитного слоя, предохраняющего ядро от волнового воздействия. Каменные или бетонные бронирующие элементы на внешней стороне конструкции поглощают большую часть энергии, а гравий или песок препятствуют прохождению энергии волн через ядро волнолома. Уклоны облицовки обычно находятся в диапазоне от 1:1 до 1:2, в зависимости от используемых материалов. На мелководье волноломы облицовочного типа обычно относительно недороги. С увеличением глубины воды требования к материалам – и, следовательно, затраты – значительно возрастают.
Каисон
Каисонные волноломы обычно имеют вертикальные боковые стенки и чаще всего возводятся там, где необходимо обеспечить швартовку одного или нескольких судов к внутренней стороне волнолома. Они используют массу каисона и заполнителя внутри него для сопротивления опрокидывающим силам, создаваемым воздействием волн. Их строительство в мелководье относительно дорогостоящее, но на больших глубинах они могут оказаться значительно экономичнее ревейментных волноломов. Иногда перед вертикальной конструкцией устраивают дополнительную каменную насыпь для поглощения энергии волн, что снижает отражение волн и горизонтальное давление на вертикальную стенку. Такая конструкция обеспечивает дополнительную защиту с морской стороны и причальную стенку с внутренней стороны волнолома, но может увеличить вероятность перехлёста волн через волнолом.
Поглощающий волны кайсон
Аналогичная, но более сложная концепция – волнопоглощающий массив, включающий различные типы перфорации в лицевой стенке. Такие сооружения успешно применяются в морской нефтегазовой промышленности, а также в прибрежных проектах, требующих конструкций с относительно невысоким гребнем (например, на городских набережных, где важен вид на море, как это реализовано в Бейруте и Монако). В последнем случае в настоящее время на Анс-дю-Портье реализуется проект, включающий 18 волнопоглощающих высокотехнологичных массивов.
Уменьшитель волн
Волногасители состоят из бетонных элементов, расположенных горизонтально на расстоянии одного фута под уровнем воды, вдоль линии, параллельной берегу. Волногаситель имеет четыре плиты, обращенные к морю, одну вертикальную плиту и две плиты, обращенные к суше; каждая плита отделена от соседней зазором. Ряд из четырех плит, обращенных к морю, и двух плит, обращенных к суше, отражает прибрежную волну за счет объема воды, находящегося под ними, который, приходя в колебание под воздействием падающей волны, создает волны, находящиеся в противофазе с падающей волной, за волногасителем.
Мембранные водоломники
Подводный гибкий насыпной волнолом может быть использован для контроля волн на мелководье как современная альтернатива традиционным жестким подводным сооружениям. Помимо того, что стоимость строительства подводных гибких насыпных волноломов ниже, чем у традиционных подводных волноломов, корабли и морские организмы могут проходить сквозь них, при достаточной глубине. Эти морские сооружения снижают энергию волнового удара и предотвращают образование стоячих волн.
Бронзовые блоки для взрывных ворот
По мере увеличения высоты волн, волноломы требуют более крупных бронеэлементов для сопротивления волновым нагрузкам. Эти бронеэлементы могут быть изготовлены из бетона или натурального камня. Наибольшая стандартная фракция для бронеэлементов из камня, указанная в CIRIA 683 "The Rock Manual", составляет 10–15 тонн. Более крупные фракции могут быть доступны, но максимальный размер на практике ограничивается естественными свойствами скалываемости местной горной породы. Формованные бетонные бронеэлементы (такие как Dolos, Xbloc, Tetrapod и т.д.) могут изготавливаться массой до примерно 40 тонн (например, Jorf Lasfar, Марокко), прежде чем они станут уязвимыми к повреждениям под собственным весом, ударам волн и термическому растрескиванию сложных форм при формовании/отверждении. В случаях, когда требуются самые крупные бронеэлементы для наиболее обдуваемых участков в глубоководных зонах, бронеэлементы чаще всего изготавливаются из бетонных кубов, которые использовались массой до ~195 тонн для головной части волнолома в Пунта-Лангостейра, недалеко от Ла-Коруньи, Испания. Предварительное определение размера бронеэлементов часто выполняется с использованием уравнения Хадсона, Ван дер Меера и, в последнее время, Ван Гента и др.; все эти методы описаны в CIRIA 683 "The Rock Manual" и в руководстве по береговой инженерии Корпуса инженеров армии США (доступно бесплатно онлайн) и в других источниках. Для детального проектирования использование масштабированных физических гидравлических моделей остается наиболее надежным методом прогнозирования реального поведения этих сложных сооружений.
Непреднамеренные последствия
Волноломы подвержены разрушениям и перехлесту волн во время сильных штормов. Некоторые из них также могут создавать уникальные типы волн, привлекающие серферов, такие как The Wedge у волнолома Ньюпорта.
Эффекты осадочных пород
Рассеивание энергии и относительно спокойная вода, создаваемая с наветренной стороны волноломов, часто способствуют аккумуляции осадка (в соответствии с проектом волнолома). Однако это может привести к чрезмерному образованию мысов, что, в свою очередь, может привести к формированию томболо, уменьшающему прибрежный перенос вдоль берега с наветренной стороны волноломов. Эта задержка осадка может вызвать негативные последствия с подветренной стороны волноломов, приводя к дефициту осадка на пляже и усилению береговой эрозии. Это, в свою очередь, может потребовать дополнительных инженерных защитных мероприятий с подветренной стороны волноломной системы. Накопление осадка в районах вокруг волноломов может создавать плоские участки с уменьшенной глубиной, изменяя топографию морского дна. Формирование мысов в результате строительства волноломов зависит от расстояния волноломов от берега, направления подхода волны к волнолому и угла наклона волнолома к берегу. Из этих трех факторов угол наклона волнолома к берегу является наиболее важным при искусственном формировании мысов. Угол наклона волнолома определяет новое направление распространения волн (после их взаимодействия с волноломами), а следовательно, и направление течения и аккумуляции осадка с течением времени.
Экологические последствия
Уменьшение неоднородности рельефа морского дна, вызванное волноломами, может привести к снижению численности и разнообразия видов в окружающих экосистемах. В результате уменьшения неоднородности и снижения глубин, обусловленного накоплением осадочных пород вокруг волноломов, увеличивается воздействие ультрафиолетового излучения и повышается температура окружающей воды, что может нарушить функционирование близлежащих экосистем.
Строительство отдельных волноломов
Существует два основных типа отсечных волноломов (также называемых отрывными волноломами): одиночные и множественные. Одиночный волнолом, как следует из названия, представляет собой единый непрерывный барьер, в то время как множественные волноломы (от двух до двадцати) располагаются с промежутками между ними. Длина этих промежутков в значительной степени определяется взаимодействующими длинами волн. Волноломы могут быть стационарными или плавучими, а также непроницаемыми или проницаемыми для обеспечения переноса осадочного материала к берегу, при этом выбор зависит от диапазона приливов и глубины воды. Обычно они состоят из крупных каменных блоков (гранита) весом до 10–15 тонн каждый или из каменно-набросной насыпи. На их конструкцию влияют угол подхода волн и другие факторы окружающей среды. Строительство волнолома может осуществляться параллельно или перпендикулярно береговой линии, в зависимости от требований к ней.