ایجاد شیب بهینه دایک های ساحلی در مواجه با امواج توسط Plaxis & Ansys

بخشی از فهرست مطالب پروژه ایجاد شیب بهینه دایک های ساحلی در مواجه با امواج توسط Plaxis & Ansys

 چکیده

۱- مقدمه

۲- انواع سازه‌های ساحلی

     2-1- تنوع سازه‌‌های ساحلی

     2-2- سازه‌های ساحلی

     2-3- اهداف کلی در حفاظت از سواحل

     2-3-1- دیوارهای ساحلی

     2-3-2- دیوار‌ه‌ها

     2-3-3- پوششهای ساحلی

     2-3-4- تپه‌های ماسه‌ای

     2-3-5- آب‌شکنها

     2-3-6- دایکها

۳- مکانیک حرکت موج و تئوری امواج

     3-1- مقدمه

     3-2- تعاریف

   3-3- طبقه‌بندی امواج آب

   3-3-1- طبقه‌بندی براساس دوره تناوب

   3-3-2- طبقه‌بندی فیزیکی

   3-3-3- طبقه بندی ریاضی

   3-3-4- طبقه‌بندی براساس ارتفاع موج

   3-4- تئوریهای موج

   3-4-1- معادلات اساسی حرکت موج

   3-4-2- تئوری موج دامنه کوتاه

   3-4-3- امواج استوکس

   3-4-4- امواج کنویدال

   3-4-5- نظریه موج تنها

   3-5- محدودیتهای کاربرد نظریه‌های امواج

   3-6- نتیجه‌گیری

۴- دایکهای ساحلی

  4-1- مقدمه‌ای بر استفاده از دایکهای ساحلی

  4-2- کلیات

  4-2-1- تعاریف

  4-2-2-هدف از بکار بردن دایکهای ساحلی

  4-2-3- انواع دایکهای ساحلی

۴-۲-۳-۱- دایکهای تیپ یک

۴-۲-۳-۲- دایکهای تیپ دو

۴-۲-۳-۳- دایکهای تیپ سه

۴-۲-۴- مناطق و محدوده‌های بارگذاری

۴-۲-۵- نیروهای وارده بر دایکهای ساحلی

۴-۲-۶- نقاط و عوامل شکست دایکهای ساحلی

۴-۲-۶-۱- روگذری آب یا سرریز شدن آب از روی تاج

۴-۲-۶-۲- فرسایش درشیب بیرونی

۴-۲-۶-۳- گوه لغزش در شیب درونی

۴-۲-۶-۴- کمبود پایداری در خاکریز

۴-۲-۶-۵- روگذری

۴-۲-۶-۶- پایپینگ

۴-۲-۶-۷- اثرات برخورد مواد خارجی بر دایک

۴-۲-۶-۸- اثرات نیروی یخ بر دایک

۴-۲-۶-۹- روانگرایی

۴-۲-۷- آنالیز دایک

۴-۲-۷-۱- انتهای ساخت

۴-۲-۷-۲- فروافتادن ناگهانی آب

۴-۲-۷-۳- تراوش پایدار

۴-۲-۷-۴- زلزله

۴-۲-۸- حداقل فاکتورهای اطمینان

۴-۳- طراحی اولیه دایکهای ساحلی

۴-۳-۱- پارامترهای حاکم در طراحی

۴-۳-۱-۱- پارامترهای محیطی مربوط به موج

۴-۳-۱-۲- پارامترهای سازه‌ای

۴-۳-۱-۳- پارامترهای هیدرولیکی

۴-۳-۲- روابط پایداری

۴-۳-۲-۱- هادسن

۴-۳-۲-۲- روش فن در میر

۴-۳-۲-۳- اثرات شکل آرمور و دانه‌بندی

۴-۳-۲-۴- لایه‌های آرمور متشکل از قطعات بتنی

۴-۳-۳- خزش موج

۴-۳-۳-۱- کلیاتی مربوط به خزش

۴-۳-۳-۲- روابط متداول برای محاسبه خزش نسبی موج

۴-۳-۳-۳- شیب متوسط

۴-۳-۳-۴- تاثیر آبهای کم‌عمق در خزش موج

۴-۳-۳-۵- اثر زاویه حمله موج

۴-۳-۳-۶- اثر برم

   4-3-3-6-1- اثر عرض برم (rB)

   4-3-3-6-2- اثر عمق برم (rdh)

   4-3-3-7- اثر زبری المانها

   4-3-4- پایین روی موج

   4-3-5- دبی سرریزی موج

   4-3-6- عبور موج

   4-3-6-1- استفاده از

   4-3-6-2- روش تفکیک Rc و Hs از یکدیگر

   4-3-7- انعکاس موج

   4-3-8- محاسبه ضخامت لایه آرمور اولیه

   4-3-9- لایه آرمور ثانویه

   4-3-10- لایه فیلتر

   4-3-11- سکوی پنجه

   4-3-12- هسته

   4-3-13- محاسبه عرض تاج

۵- آنالیز‌های انجام شده توسط Plaxis

   5-1- معرفی برنامه Plaxis

   5-2- آنالیز حساسیت در تعیین تاثیر مش‌بندی

   5-3- روند انجام آنالیز

    5-4- آنالیز انتهای ساخت

    5-5- مرحله نشت پایدار

    5-6- مرحله فروافتادگی ناگهانی

    5-7- آنالیز شبه استاتیکی

    5-8- آنالیز مربوط به مسلح کردن دایک

    5-9- آنالیزهای مربوط به نشت آب

۶- آنالیز دایک توسط ansys

   6-1- یادآوری خروجی Plaxis

   6-2- هدف از انجام آنالیزتوسط ansys

   6-3- معرفی مدل

  6-3-1- مدلسازی

  6-3-2- مش‌بندی

  6-3-3- بارگذاری

  6-3-4- انجام آنالیز

  6-4- اهمیت ماکرو در پروژه مذکور

  6-5- بررسی خروجی‌های برنامه

  6-5-1- تفسیر نتایج نوع اول

 6-5-1-1- Sx

 6-5-1-2- Sy

۶-۵-۱-۳- Von mises

۶-۵-۲- تفسیر نتایج نوع دوم

۶-۶- نتیجه

۷- نتیجه‌گیری و پیشنهادات

منابع و ماخذ

فهرست منابع فارسی

فهرست منابع غیرفارسی

چکیده انگلیسی

فهرست شکل‌ها

۳-۱-     شکل: موج گرانشی سطحی به همراه مشخصات آن

۳-۲-     شکل: جبهه و راست گوشه موج

۳-۳-     شکل: حرکت مداری ذرات زیرموج

۳-۴-     شکل: نیم‌رخهای امواج مختلف

۳-۵-     شکل: طبقه‌بندی امواج دریا براساس پریود موج

۳-۶-     شکل: موج نوسانی

۳-۷-     شکل: تفاوت بین موج نوسانی و انتقالی

۳-۸-     شکل: تعریف پارامترهای مورد استفاده در معادله اساسی حرکت موج

۳-۹-     شکل: مقایسه بین پروفیل موج خطی و استوکس مرتبه دوم

۳-۱۰-    شکل: نیم‌رخهای سطحی موج نویدال

۳-۱۱-    شکل: نیم‌رخهای سطحی موج نویدال

۳-۱۲-    شکل: رابطهبین

۳-۱۳-    شکل رابطه بین  و پارامتر

۳-۱۴-    شکل: رابطه بین و پارامتر  وبین ارتفاع بدون بعد تاج

۳-۱۵-    شکل: رابطه بین

۳-۱۶-    شکل: رابطه بین

۳-۱۷-    شکل: نیم‌رخ‌ موج تنها

۳-۱۸-    شکل: مقادیر M , N برحسب تابعی از

۳-۱۹-    شکل: نواحی اعتبار نظریه‌های مختلف موج Lemehavte

۳-۲۰-    شکل: نظریه تحلیلی Dean

۳-۲۱-    شکل: محدوده کاربرد امواج استوکس با مرتبه معین

۳-۲۲-    شکل: محدوده کاربرد امواج نویدال

۴-۱-      شکل: محدوده‌‌های بارگذاری بر روی دایک ساحلی

۴-۲-      شکل: صفحه شکست بدون وجود برم

۴-۳-      شکل: صفحه شکست با وجود برم

۴-۴-      شکل: ضریب نفوذپذیری P

۴-۵-     شکل: مقایسه فرمول هادسن و فن در میر برای هسته نفوذپذیر بعد از برخورد ۱۰۰۰ موج

۴-۶-      شکل: مقایسه فرمول هادسن و فن در میر برای هسته نفوذناپذیر بعد از برخورد ۵۰۰۰ موج

۴-۷-      شکل: ارتفاع موج در مقابل پارامتر شکست با تاثیر سطح آسیب

۴-۸-      شکل: ارتفاع موج در مقابل پارامتر شکست با تاثیر نفوذ‌پذیری

۴-۹-      شکل: ارتفاع موج در مقابل آسیب

۴-۱۰-    شکل: اجزای یک دایک ساحلی

۴-۱۱-    شکل: عوامل موثر در ارتفاع دایک

۴-۱۲-    شکل: تغییرات خزش نسبی با

۴-۱۳-    شکل: خزش موج به روی شیب صاف و مستقیم در آبهای عمیق

۴-۱۴-    شکل: خزش موج به روی شیب صاف و مستقیم درآبهای کم‌عمق و خیلی کم‌عمق

۴-۱۵-    شکل: مقادیر خزش موج به همراه فاکتورهای تاثیر

۴-۱۶-    شکل: تعیین مولفه شیب برای سطح مقطع شامل شیبهای متفاوت

۴-۱۷-    شکل: اثر آبهای کم‌عمق بر طیف موج

۴-۱۸-    شکل: وابستگی   و   برای شیبهای متفاوت

۴-۱۹-    شکل: تعریف زاویه حمله موج

۴-۲۰-    شکل: اثر   با اندازه‌گیری نقاط برای خزش در امواج با تابش کوتاه

۴-۲۱-    شکل: دیاگرام عرض و عمق برم

۴-۲۲-    شکل: تعیین تغییرات در شیب برم

۴-۲۳-    شکل:   در مقابل

۴-۲۴-    شکل: اثر زبری المانهای مختلف

۴-۲۵-    شکل: خزش بر روی شیب آرمور سنگی با زیر لایه نفوذناپذیر

۴-۲۶-    شکل: ارتفاع آزاد تاج در روگذری موج

۴-۲۷-    شکل: مقادیر روگذری مجاز ارائه شده توسط Owen

۴-۲۸-    شکل: مقادیر روگذری مجاز ارائه شده توسط Franco

۴-۲۹-    شکل: تصویری از روگذری موج

۴-۳۰-    شکل: تصویری از روگذری موج

۴-۳۱-    شکل: خطرات روگذری

۴-۳۲-    شکل: خطرات روگذری

۵-۱-      شکل: مقطع مدل شده از دایک در Plaxis

۵-۲-      شکل: تاثیر مش‌بندی بر روی تغییر مکان

۵-۳-      شکل: تاثیر مش‌بندی بر روی ضریب اطمینان

۵-۴-      شکل: نمونه‌ای از مش‌بندی انجام شده بر دایک

۵-۵-      شکل: مقاطع مورد بررسی در آنالیز

۵-۶-      شکل: تغییرات تغییر مکان با شیب در مرحله انتهای ساخت

۵-۷-      شکل: محاسبه ضریب اطمینان در انتهای ساخت برای شیبهای مختلف

۵-۸-     شکل: نتایج ضرایب اطمینان در انتهای ساخت

۵-۹-     شکل: تغییرات تغییر مکان در مرحله نشت پایدار

۵-۱۰-   شکل: تغییرات ضریب اطمینان در مرحله نشت پایدار برای شیبهای مختلف

۵-۱۱-   شکل: مقایسه ضرایب اطمینان در حالت نشت پایدار

۵-۱۲-   شکل: عملکرد توام فیلتر در ژئوسنتتیک در مقابل با فروافتادگی ناگهانی آب

۵-۱۳-   شکل: مقایسه حداکثر تغییر مکان در مرحله فروافتادگی ناگهانی

۵-۱۴-   شکل: مقایسه ضرایب اطمینان در مرحله فروافتادگی ناگهانی

۵-۱۵-    شکل: حالت بیشینه اثر تخریبی زلزله بر دایک ساحلی

۵-۱۶-    شکل: بیشینه تغییر مکان در مرحله زلزله با شتاب افقی در جهت ساحل

۵-۱۷-    شکل: مقایسه ضرایب اطمینان در مرحله زلزله با شتاب افقی در جهت ساحل

۵-۱۸-    شکل: تغییر مکان در مرحله زلزله با شتاب افقی در جهت سمت دریا

۵-۱۹-    شکل: مقایسه ضرایب اطمینان در مرحله زلزله با شتاب افقی در جهت دریا

۵-۲۰-    شکل: حساسیت مدول مختلف برای مسلح سازها

۵-۲۱-    شکل: تاثیر مدول مختلف برای ضرایب اطمینان

۵-۲۲-    شکل: تاثیر فاصله مسلح‌سازها بر ضریب اطمینان در بدنه خاکریز

۵-۲۳-    شکل: گراف مقایسه‌ای تاثیر فاصله مسلح‌سازها در ضریب اطمینان

۵-۲۴-    شکل: تاثیر طول مسلح‌سازها بر روی ضریب اطمینان

۵-۲۵-    شکل: منحنی دبی نشت در حالت وجود پرده آب‌بند بدون پتوی رسی

۵-۲۶-   شکل: منحنی دبی نشت در حالت پتوی آب‌بند افقی با طول‌های مختلف و بدون پرده آب‌بند

۵-۲۷-    شکل: منحنی نشت در حالت وجود پتوی آب‌بند و پرده آب‌بند عمودی

۶-۱-      شکل: نحوه تعریف المان وگره

۶-۲-      شکل: المان موردنظر در مرکز Core

۶-۳-      شکل: المان موردنظر در چپ Core

۶-۴-      شکل: المان مورد نظر در راست Core

۶-۵-    شکل: Contour در step شماره ۴ برای شیب

۶-۶-    شکل: Contour در step شماره ۷ برای شیب

۶-۷-    شکل:  Contour در step شماره ۴ برای شیب

۶-۸-    شکل: Contour  تنش vonmises برای شیب

۶-۹-    شکل: تغییرات Sx در بازه زمان در مرکز هسته

۶-۱۰-  شکل: تغییرات Sx در بازه زمان در قسمت چپ هسته

۶-۱۱ – شکل: تغییرات Sx در بازه زمان در قسمت راست هسته

فهرست جداول

عنوان     صفحه

۳-۱-    جدول: مشخصات تئوری موج airy

۳-۲-    جدول: نتایج موج استوکس مرتبه دوم

۴-۱-    جدول: فاکتورهای اطمینان

۴-۲-    جدول: مقدار ضریب KD برای تعیین وزن آرمور

۴-۳-    جدول: ضرایب تجدیدنظر برای شکل‌های آرمور

۴-۴-    جدول: مقادیر   و nV ارائه شده در SPM

۵-۱-    جدول: نتایج تاثیر مش‌بندی

۵-۲-    جدول: مقایسه تغییر مکان‌ها در انواع آنالیزها و شیب‌ها

۵-۳-    جدول: مقایسه تغییرات مکان بین حالت زلزله و انتهای ساخت

۵-۴-    جدول: مقایسه تغییر مکان در حالت زلزله و انتهای ساخت

۵-۵-    جدول: مقایسه تاثیر زلزله در شیب‌های مختلف بر ضریب اطمینان

۶-۱-    جدول: مشخصات مکانیکی مدل

۶-۲-    جدول: مقادیر max تنش در شیب‌های مختلف

۶-۳-    جدول: تغییرات مقادیر تنش‌های کششی و فشاری در تغییر شیب

۶-۴-    جدول: مقادیر max تنش در شیب‌های مختلف

۶-۵-    جدول: تغییرات مقادیر تنش‌های کششی و فشاری در تغییر شیب

۶-۶-    جدول: مقادیر max و min تنش vonmises در شیب‌های مختلف

 

 
۲-۱- تنوع سازه‌های ساحلی
گستره سازه‌های ساحلی به اندازه‌ای وسیع است که به نوعی دربرگیرنده طیف وسیعی از انواع مختلف سازه‌ها می‌باشد. بطوری که این سازه‌ها با اهداف متنوعی ساخته می‌شوند.
در حالت کلی این نوع سازه‌ها را می‌توان به دو دسته طبقه‌بندی کرد:
الف) سازه‌های ساحلی
ب) سازه‌های فراساحلی
با توجه به تعدد سازه‌های ساحلی می‌توان کاربردهای متفاوتی را برای آنها متصور شد، کاربردهایی چون امکان پهلوگیری شناورها، احیاء زمین، حفاظت سواحل در برابر امواج و فرسایش، نصب خطوط انتقال نفت و گاز و همچنین احداث سدهای حفاظتی به منظور مقابله در برابر امواج و جزر و  مد.
در نقطه مقابل سازه‌های ساحلی، سازه‌های فراساحلی قرار دارند. همانطور که از نام این نوع سازه‌ها مشخص است، سازه‌های فراساحلی، سازه‌هایی هستند که در اعماق و دور از ساحل احداث می‌شوند. نحوه احداث این نوع سازه‌ها، عمدتاً بصورت پیش ساخته است که پس از حمل به محل نصب منتقل گشته و اجرا می‌شوند.
سازه‌هایی چون سکوهای دریایی، مخازن زیردریایی و خطوط انتقال نفت و گاز در زمره این نوع سازه‌ها قرار دارد.
با توجه به اینکه موضوع مطرح در این تحقیق مربوط به دایکلهای ساحلی است، لذا از پرداختن به سازه‌های فراساحلی خودداری می‌شود.
۲-۲- سازه‌های ساحلی
در یک طبقه‌بندی کلی موارد زیر در گروه سازه‌های ساحلی قرار می‌گیرند.
الف – سازه‌های حفاظت ساحلی
ب – سازه‌های پهلوگیری شناورها
ج – سازه‌های صنایع دریایی
د – خطوط انتقال نفت و گاز و . . . از دریا
۲-۳- اهداف کلی در حفاظت از سواحل
چهار اصل در مبحث حفاظت از سواحل مطرح می‌شود:
الف – حفاظت از سازه‌ها و تاسیسات مستقر در ساحل در برابر برخورد امواج دریا
ب – تثبیت موقعیت خط ساحلی
ج – حفاظت از زمینهای ساحلی
د- حفاظت و نگهداری برخی از تاسیسات تفریحی
طرحهای حفاظت از سواحل با توجه به عملکرد به دو دسته تقسیم می‌شوند:
الف – مواردی که عملکرد آنها مبتنی بر کاهش سرعت جریان، ته‌نشین ساختن و تثبیت ماسه‌های معلق در محل موردنظر است. مانند موج شکنها ، آب‌شکنها ، اسکله‌های عمومی
ب – مواردی که ارتباطی با ماسه‌های معلق و ته‌نشینی آنها نداشته و صرفاً باعث مصون و محفوظ نگهداشتن ساحل و تاسیسات روی آن در مواجهه باامواج می‌شود مانند دایکها، دیوارهای دریایی ، پوششهای ساحلی  و دیواره‌ها .
دیوارهای دریایی به همراه دیواره‌ها از نظر طراحی با مقداری اختلاف مشابه یکدیگرند. دیواره‌ها در ابتدا باید در مقابل رانش خاک مقاوم باشد و سپس سیستمی مقاوم در برابر امواج را تشکیل دهند. در حالی که دیوارهای ساحلی در مرتبه نخست در برابر امواج طرح می‌شوند و سپس بحث رانش کنترل می‌گردد.
با توجه به تعدد سازه‌های ساحلی و فراساحلی، از پرداختن به همه آنها خودداری می‌شود و تنها به ذکر توضیحاتی مختصر در ارتباط با سازه‌های مهم ساحلی بسنده می‌گردد.
۲-۳-۱- دیوارهای ساحلی
دیوارهای دریایی سازه‌هایی هستند که تقریباً نزدیک ساحل و به موازات آن ساخته می‌شوند. این سازه‌ها تنها از زمین‌های مجاور خودشان محافظت می‌کنند. نکات مورد توجه در طراحی آنها عبارتند از کاربرد و شکل فوقانی سازه‌ها، محل مناسب با توجه به نوار ساحلی، طول، ارتفاع، پایداری خاک و سطح آب.
نوع کاربرد سازه، انتخاب شکل آن را میسر می‌سازد. شکل سازه ممکن است به صورتهای متفاوتی باشد. عمودی، مایل، منحنی محدب و مقعر و پله‌ای که هر کدام عملکرد بخصوصی دارند.
این نوع ساز‌ه‌ها، نسبت به دیواره‌ها و پوششها، حجیم‌تر می‌باشد. زیرا این سازه‌ها باید در مقابل کل نیروی امواج مقاومت کنند.
بنابراین به اختصار می‌توان گفت که این نوع سازه‌ها معمولاً برای محافظت ساحل از اثرات ممتد فرسایش و کاهش خطرات ناشی از برخورد امواج احداث می‌شوند.
۲-۳-۲- دیواره‌ها
در طراحی دیواره‌ها توجه به موارد زیر، الزامی است.
۱- امواج، تراز جزر و مد، عمق آب
۲- خصوصیات ژئوتکنیکی بستر
۳- خصوصیات خاک زمین مورد ترمیم
۴- شرایط کاربرد از زمین مورد حفاظت و مرمت آن
۵- تاثیر زلزله
۶- اجازه سرریز کردن امواج یا عدم سرریز آن
۷- موقعیت منطقه آبی اطراف دیواره
۸- روش ساخت و اجرا
۹- روش ترمیم و بازسازی
بنابراین برای طراحی دیواره‌ها، نیاز به طیف وسیعی از اطلاعات داریم. اطلاعاتی در ارتباط با آب، خاک و خودسازه و کاربرد آن. به عنوان مثال ارتفاع تاج دیواره با توجه به اجازه سرریز یا عدم اجازه سرریز آب تعیین می‌گردد. همچنین انتخاب مقطع مناسب باید با توجه به تراز جزر و مد در موقع طوفان، شرایط کاربردی دیواره‌ها و شرایط کاربری زمین انجام شود.
۲-۳-۳- پوششهای ساحلی
این نوع سازه‌ها به دو گروه تقسیم می‌شوند
الف – پوشش ساحلی صلب که از نوع بتن‌ در جا می‌باشد
ب – پوشش ساحلی انعطا‌ف‌پذیر شامل riprap و پوشش بلوکهای بتنی و آسفالتی
نکته مهم در ارتباط با پوشش صلب این است که محل آن در طول ساخت تا زمانی که بتن کاملاً خود را نگرفته، باید از وجود آب مصون باشد. هر دو پوشش صلب و انعطاف‌پذیر از ساحل کاملاً محافظت می‌کند. علاوه بر آن سازه‌های انعطاف‌پذیر، مقاومت کافی در برابر تحکیم‌های جزئی از خود نشان می‌دهند.
۲-۳-۴- تپه‌های ماسه‌ای
تپه‌های ماسه‌ای یکی از روشهای طبیعی حفاظت از سواحل می‌باشد. این تپه‌ها در طول خط ساحلی باعث جلوگیری از حرکت امواج و طوفانهای شدید و همین طور جریانهای ناشی از جزر و مد به داخل منطقه ساحلی می‌گردد تپه‌های ساحلی دور از خشکی نسبت به تپه‌های ماسه‌ای نزدیک ساحل، حفاظت کمتری از ساحل انجام می‌دهد.
نکته مهم در این نوع تپه‌ها، گسترش آنها به علت وجود ماسه بر روی شیب سمت دریاست.
۲-۳-۵- آبشکنها
کاربردهای اصلی آبشکنها عبارتند از جلوگیری از فرسایش خط ساحلی، احیا ساحل و کاهش ضربات امواج بر روی سازه‌های دیگر ساحلی، نظیر دیواره‌ها و یا دیوارهای ساحلی
به عبارت دیگر آبشکنها نقش واسطه بین همه یا قسمتی از موانع موجود بین دریا و سازه را ایفا می‌کند.
۲-۳-۶- دایکها
بحث مفصل و تکمیلی دایکها در فصول بعد مطرح خواهد شد.
۳ ـ ۱  ـ  مقدمه
اثرات امواج آب در مهندسی سواحل و تاثیر بر سازه‌های دریایی از درجه اهمیت بسیار بالایی برخوردار است . امواج مهمترین عامل در تعیین وضعیت هندسی و ترکیب سواحل هستند و نیز دارای تاثیر عمده ای در طراحی بنادر ، آبراهها ، سازه های حفاظتی ساحلی، سازه های ساحلی و دیگر کارهای ساحلی و دریایی می باشند. امواج سطحی غالباً توسط باد تولید می شوند . مقدار قابل توجهی از انرژی امواج در کرانه های ساحلی مستهلک می‌شوند.
امواج مهمترین منبع انرژی برای شکل دهی سواحل ، طبقه بندی و جابجایی موادرسوبی کف دریا به سوی ساحل یا به طرف دریا و یا در امتداد ساحل هستند و سبب ایجاد بسیاری از نیروهای اعمال شده به سازه های ساحلی و دریایی می گردند . لذا لازم است برای درک فیزیکی صحیح تر مراحل تولید و انتشار امواج سطحی ، سعی گردد ، حرکت پیچیده آب در مناطق نزدیک ساحل ادراک شود.بطور خلاصه ، درک مکانیک حرکت امواج در سازماندهی و طراحی کارهای ساحلی ضروری است.
در این بخش ضمن ارائه مقدمه ای بر تئوری امواج سطحی و پروفیل سطح آب ، انرژی امواج و تئوریهای مورد استفاده در تعیین تغییر شکل امواج ناشی از اثر متقابل کف دریا و سازه ها تشریح می شوند.
قابل ذکر است که با توجه به تنوع تئوری های موجود در رابطه با امواج ، و همچنین مفصل بودن بحث موج ، تنها به ذکر تعدادی از تئوریهای معتبر امواج بسنده کرده و مطالعات بیشتر و در عین حال تکمیلی را با ذکر منابع و مراجع داده شده به خوانندگان محترم این پروژه واگذار می کنم.
همچنین در این پروژه ، کلیه تئوریهای مهم ارائه شده ، در قالب برنامه ای که توسط ویژوال بیسیک نوشته شده است ، ارائه میگردند تا ما را از انجام برخی محاسبات پیچیده و در عین حال طولانی بی نیاز کنند. خروجی های این برنامه به عنوان ورودی مورد نیاز در طراحی سازه های حفاظت از سواحل بخصوص در دایکهای ساحلی مورد استفاده قرار می گیرد .
در این فصل ، در ابتدا تعاریف مورد نیاز در مبحث مکانیک امواج و تئوری امواج مطرح می گردد تا با آشنایی کامل گام به مباحث بعدی بگذاریم.
سپس روش‌های طبقه بندی امواج مطرح می شود و در نهایت تئوریهای موج به همراه محدوده استفاده از هرتئوری ارائه می گردد.
مؤکداً توصیه می شود ، برای فراگرفتن نحوه تحلیل امواج ، مستقیماً به فرمولهای ذکر شده در قالب جداول مذکور در تئوریهای موج رجوع نگردد . چون بسیاری از پارامترها در این جداول مجهول بوده و باید توسط روش آزمون و خطا تعیین شود. در این ارتباط برنامه ای ارائه شده ، تا بتواند خروجیهای موج را از هر تئوری بیان کند.
 
۳-۲- تعاریف
پیش از پرداختن به مبحث نظریه‌های موجود، لازم است که برخی اصطلاحات در قالب تعاریفی کوتاه بیان گردند.
همانطور که می‌دانیم موج در واقع ، نوسان سطحی رویه یک سیال است. در بعضی از مواقع از واژه موج گرانشی سطحی  استفاده می‌شود که در واقع به موجی اطلاق می‌گردد که عامل ثقل،عاملی مهم در برگرداندن موج به وضعیت اولیه و متعادل خود می‌باشد . یک موج گرانشی سطحی بطور کامل با سه پارامتر زیر تعریف می شود .
۱)ارتفاع موج ( )     2) طول موج۳( )       3) عمق متوسط آب۴ ( )
شکل ۳-۱- موج گرانشی سطحی به همراه مشخصات آن
عمق متوسط آب در این تعریف فاصله از کف تا سطح متوسط آب۵ ( ) می‌باشد. در این تعریف سطح متوسط آب بنحوی تعریف می‌شود که سطح زیر تاج موج۶، با سطح زیر ناوموج ۷ مساوی گردد . در واقع تاج و ناو در پروفیل موج، به ترتیب بالاترین و پایین‌ترین نقاط آن محسوب می شود . بنابراین بوضوح مشخص است که ارتفاع تاج موج، فاصله بین سطح متوسط آب تا تاج موج است. این ارتفاع را، دامنه مثبت موج  می‌نامیم. همچنین بطور مشابه،عمق ناورا، دامنه منفی موج  تعریف می‌کنیم.
ذکر این نکته ضروری است که برای امواج کوتاه این دامنه‌ها مساوی بوده و هریک برابردامنه موج  هستند ( ).
فاصله زمانی بین عبور دو نقطه تاج متوالی از یک ایستگاه ثابت پریود موج ( ) نامیده می‌شود. شروع فاز در چنین ایستگاهی در زیر نقطه تاج و در مبداء زمان صفر است. سپس مقدار آن در زمان  ، به اندازه  افزایش می‌یابد. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که فاز ناو، در مبداء زمان برابر است. دوره تناوب موج، عموماً نسبت به زمان ثابت بوده و با تغییر ارتفاع و یا طول موج تغییر نمی کند. در مقابل پریود موج، فرکانس قابل تعریف است که درست عکس پریود عمل می‌کند و نشان دهنده تعداد عبور موج از یک نقطه معین در واحد زمان است.
اگر حرکت موج دو بعدی ( ) در نظر گرفته شود، آنگاه می توان به تعریف جبهه موج  رسید. جـبهه موج در واقع یک منحنی با فاز ثابت است . جهت انتشارموج، بوسیله راست
گوشه های موج  تعیین می شود.
راست گوشه های موج همان خطوط قائم بر جبهه موج هستند.
شکل ۳-۲-جبهه و راست گوشه موج
برای توصیف عبور موج در سطح سیال از واژه انتشار استفاده می شود . موج پیشرونده  ، موجی است که نسبت به یک دستگاه مختصات ثابت در سیال حرکت می‌کند. جبهه موج با سرعت فاز یا سرعت موج  ( ) ، در جهت راست گوشه موج منتشر می‌شود ( ).
انرژی موج  که مجموع دو انرژی پتانسیل  و انرژی جنبشی  است ، در امواج دامنه کوتاه با سرعت گروهی ( ) و در جهت سرعت موج منتشر می‌شود.
توان موج  ، حاصلضرب انرژی موج در سرعت گروهی است . سرعت گروهی در آب عمیق یا ژرفاب ( ) نصف سرعت فاز است. اما در آب کم عمق یا کم ژرفا  ( )، هر دو سرعت تقریباً یکسان هستند.
ژرفاب به عمقی اطلاق می شود که در آن سرعت موج تحت تاثیر عمق آب قرار نمی‌گیرد. بنابراین طول موج یا سرعت موج در چنین عمقی تنها به دوره تناوب موج بستگی دارد. این حد با نسبت  که برای بسیاری از اهداف محاسباتی قابل قبول است مشخص می
شود. در مقابل عمقی که در آن سرعت موج تنها به عمق آب بستگی داشته و مستقل از دوره تناوب موج باشد، آب کم ژرفا نامیده می‌شود.
پس از ذکر تعاریف مورد نیاز جهت معرفی موج و همچنین قبل از پرداختن به برخی دیگر از پارامترهای مهم و محاسباتی موج، لازم است به معرفی مدارهای حرکتی ذرات  زیر موج پرداخته شود.
مدارهای حرکت ذره در شرایط ایده آل، در امواج دامنه کوتاه، منحنی بسته‌ای را تشکیل می‌دهند. ذکر این نکته ضروری است که این مدارها، نه خطوط جریان بلکه صرفاً مسیرهای ذرات  هستند.
به شکل (۳-۳)- دقت کنید:
شکل۳-۳- حرکت مداری ذرات زیر موج
ذرات در ژرفاب به شکل دوار حرکت می کنند. اما در آب کم ژرفا بیضی ها تا حد زیادی بصورت افقی کشیده می شوند.
سرعت ذره‌ای که کاملاً با سرعت موج متفاوت است در زیر تاج موج در جهت انتشار موج و در زیر ناو موج، در خلاف آن جهت حرکت می کند . مقدار سرعت ذره ای در زیر تاج موج حداکثر بوده و مقدار آن عموماً خیلی کمتر از سرعت موج است  و یا به عبارت دیگر . متغیر   مؤلفه افقی سرعت ذره‌ای است.
تنها استثنای این مورد ،موج در حالت شکست است. این استثنا حاصل شرایط حدوداً مساوی حداکثر سرعت ذره‌ای در نقطه تاج با سرعت موج می‌باشد.
پس از معرفی برخی پارامترهای مهم موج، شاید به تعبیری ، به مهمترین پارامتر موج تحت عنوان تیزی موج  ( ) می‌رسیم. تیزی موج بصورت نسبت بین ارتفاع موج به طول آن تعریف می شود. طبق این تعریف است. این نسبت برای هر رشته موج  بطور تدریجی از آب عمیق به سمت آب کم عمق افزایش می‌یابد. علت عمده افزایش تیزی موج در نزدیکی سواحل تاثیر زبری بستر دریا بر روی سیستم موج است. این عامل سبب کاهش عمده طول موج نسبت به جای عمیق می‌شود.

در نهایت تیزی موج با افزایش  و یا کاهش   به یک حالت حدی می رسد. تحت این شرایط حدی، موج ناپایدار گشته و سر انجام می‌شکند. این حد بطور تقریبی برای ژرفاب  و برای آب کم ژرفا  است.
بحث شکست موج، بحثی بسیار مهم در مبحث سازه‌های حفاظت از سواحل می باشد. لذا، پرداختن به این موضوع فصلی مجزا طلب خواهد کرد که به آن می‌پردازیم.
همانطور که اشاره شد، در این بخش تنها به ذکر تعاریفی از برخی واژه های مطرح در مکانیک موج بسنده کردیم. زمانی که به مبحث تئوری امواج پرداخته می شود با برخی واژه‌های ناآشنای دیگر برخورد خواهیم کرد، که در زیر به معرفی برخی از آنها می‌پردازیم .موج سینوسی ، موجی با پروفیل به شکل تابع سینوسی یا کسینوسی است. این وضعیت به طور نظری در ژرفاب با موج خیلی کوتاه وجود دارد . برای تحلیل چنین موجی می‌توان از تبدیلات و سریهای فوریه استفاده کرد . موج فوق در قالب بحث امواج دامنه کوتاه مطرح می‌گردد. این امواج به علت مشخصات رفتاری دارای تیزی کمی هستند. ولی چنانچه‌، تیزی موج از حدی بیشتر گردد وارد مبحث امواج دامنه محدود  می‌گردیم.
دو موج مهم دیگر در تئوری امواج موجود است. موج نویدال که پروفیل فرضی برای امواج آب کم عمق است و بوسیله سریهای ریاضی شامل کسینوس بیضوی ژاکوبی  تعریف می‌گردند و موج تنها که شکل فرضی موج قبل از شکست آن است. شکل (۳-۴).
شکل۳-۴ – نیم رخهای امواج مختلف
در مبحث تئوری امواج بصورت مفصل به انضمام برنامه‌ای کامل ، انواع تئوریها بحث خواهد شد.
سرعت بـاد، سرعت متـوسط بـاد در یک ارتـفاع معین در بـالای سطح دریـا اسـت (مثلاً۱۰متر). موجگاه  ، سطحی از دریا است که بالای آن باد وزیده و امواج تولید می‌گردند. این واژه در حالت خاص به طول ناحیه ای با مشخصات فوق نیز اطلاق می‌گردد. تحت این شرایط موجگاه‌، طول موجگاه نامیده می شود . باید توجه کرد که یک موجگاه فرضی علاوه بر طول دارای عرض نیز هست که ما آن را حداقل   طول موجگاه فرض می‌کنیم.
مدت وزش باد همان مدت زمان وزش باد با سرعت ثابت در طول موجگاه است. امواج از لحظه شروع وزش و در طی مدت زمان وزش باد، به رشد خود ادامه می‌دهند تا جایی که در یک مکان معین رشد بیشتر امکان پذیر نباشد. اگر طول موجگاه و زمان وزش به ازای سرعت معین باد به اندازه کافی طولانی باشد، آنگاه بلندترین امواج ممکن در یک ناحیه مشخص بوجود می‌آیند. این وضعیت را ، شرایط موج کاملاً نمو یافته می‌نامند.
و اما ناحیه میرایی ؛ معمولاً به ناحیه پایین دست باد که در آن توده امواج تولید شده، پس از ترک طول موجگاه منتشر میشوند، اطلاق میگردد. شاید مناسب تر باشد اگر از واژه ناحیه پراکندگی  استفاده گردد. امواج در ناحیه پراکندگی به طور طولی و عرضی پراکنده می‌شوند.
چیزی که در این ناحیه بوضوح مشهود است ، کاهش ارتفاع موج است ولی نه به علت اثرات لزجت یا آشفتگی، بلکه به علت گسترده شدن انرژی موج در سطح افزایش یافته دریا.
افت انرژی موج در فرآیند سینماتیک همان استهلاک موج  است. تعبیر دیگر این جمله همان افت ارتفاع رشته موج است. اگر انرژی موج ثابت بماند آنگاه با پیشروی موج به سمت ساحل، کاهش طول موج با افزایش ارتفاع آن جبران می‌شود. این امر موجب افزایش تیزی موج می گردد و در نهایت در صورت رسیدن به یک حالت حدی می‌شکند.
۳-۳- طبقه بندی امواج آب
به علت پیچیدگی رفتاری موج، تکنیکهای متعددی برای طبقه بندی امواج وجود دارد. مثل طبقه بندی کلی بر اساس دوره تناوب، طبقه بندی فیزیکی، طبقه بندی ریاضی، طبقه بندی براساس ارتفاع موج و طبقه‌بندی براساس عمق آب که در ذیل به تشریح هریک می پردازیم.
۳-۳-۱-طبقه بندی بر اساس دوره تناوب
قبل از بیان هر مطلبی به شکل زیر توجه کنید.
شکل۳-۵- طبقه بندی امواج دریا بر اساس پریود موج
همانطوری که در شکل ملاحظه می کنید، دوره تناوب امواج دریا بسیار گسترده هستند. بطوریکه گاهاً از کسری از ثانیه شروع و حتی تا یک روز کامل ادامه پیدا می‌کنند. در حالت کلی این امواج را تحت دو نام امواج پریود کوتاه و امواج پریود بلند شناسایی می‌کنیم.
حال به اختصار توضیحی در رابطه با این تقسیم بندی ارائه می‌شود.
موج دارای کوتاهترین دوره تناوب ،موج کشش سطحی  نامیده می شود. دوره تناوب این موج کمتر از   و طول آن گاهاً کمتر از   با ارتفاع   تا   است.
اگر به نام دیگر موجها دقت کنیم واژه  در آنها مشاهده می‌شود . همانطور که قبلاً نیز اشاره شد نیروی گرانش، نیروی مولد این امواج هستند و همچنین این نیرو به عنوان عاملی متعادل کننده دراین امواج مطرح می شود . معمولاً دوره تناوب این نوع امواج که توسط باد تولید می‌شوند کمتر از   تا   ثانیه است . گاهی امواج ناشی از باد تا ارتفاع  هم دیده شده‌اند. امواج دورآ  ، امواج ناشی از باد هستند که تا خارج از ناحیه تولید خود حرکت می کنند . این امواج با دوره تناوبی طولانی تر و درعین حال منظم تر نسبت به امواج ناشی از باد مشخص می شوند.
و سرانجام به امواج باپریود بلند می‌رسیم. امواج بلند  ،شامل نوسانات سطحی در حوضچه
بنادر ، تسونامی  ، بر کشند طوفان  و جزر و مد نجومی  هستند.
امواج تسونامی در اثر زمین لرزه‌های دریایی و فوران آتش‌فشان‌های زیر دریایی بوجود می‌آیند. دوره تناوب آنها از چند دقیقه تا حدود ۱ ساعت است. اما بر کشند طوفان بوسیله اغتشاشات جوی نظیر گردبادها، طوفانهای دریایی و نظایر آنها بوجود می‌آید.
در این پروژه، از ذکر جزئیات محاسباتی امواج پریود بلند صرفنظر می‌گردد. ۲ دلیل عمده این امر، گستردگی موضوع امواج پریود کوتاه به موازات گستردگی کل پروژه و دیگری اهمیت به سزای امواج پریود کوتاه در طراحی سازه های حفاظت از سواحل هستند.
۳-۳-۲- طبقه بندی فیزیکی
اساساً دو نوع امواج آب از نقطه نظر فیزیکی در طبیعت وجود دارند. ۱) امواج نوسانی  2) امواج انتقالی . در یک موج نوسانی انتقال جرم  یا دبی برابر صفر است . در این حالت حرکت موج را می توان به نوسان عرضی  یک طناب تشبیه کرد. (شکل۳-۶).
شکل ۳-۶-موج نوسانی
در حالیکه در موج انتقالی،موج همراه با انتقال جرم است . به عنوان مثال پرش هیدرولیکی متحرک   که مد سریع   نیز خوانده می شود یک نوع موج انتقالی است .
در یک موج نوسانی، اغتشاش ، بصورت تابعی از   در طول محور   تعریف می‌شود. قابل ذکر است که امواج نوسانی به ۲ دسته تقسیم می شوند:
۱) امواج پیشرونده          2) امواج ایستا
خصوصیات موج پیشرونده برای ناظر در حال حرکت با همان سرعت و جهت موج، یکسان باقی می ماند. یعنی اگر  بصورت تابعی از   بجای( ) بیان شود آنگاه پروفیل ماندگار  حاصل می شود . بنابراین ( ) رابطه کلی برای یک موج پیشرونده ماندگار است. این موج با سرعت   در جهت   حرکت می‌کند. اما اگر موجی در جهت منفی پیشروی کند با رابطه ( )  بیان می‌شود.
ساده ترین حالت موج پیشرونده با یک منحنی سینوسی یا کسینوسی همانند رابطه زیر تعریف می شود.
 (3-1)                                                                 
چنین موجی، موج هارمونیک نامیده می‌شود. طوریکه در این رابطه  دامنه موج و  ارتفاع موج است.
عدد موج    تعداد موجها در هر دور است. بسامد زاویه‌ای موج  بصورت  تعریف می‌شود.
همانطور که اشاره شد، موج نوسانی به دو صورت پیشرونده و یا ایستا وجود دارد.
موج ایستا را می‌توان بصورت حاصل جمع دو موج با دامنه و پریود یکسان ولی بـا حرکت در جهت مخالف هم فرض کرد . موج ایستای ایجاد شده را موج کوبه   می‌نامند.
دوموج دارای دوره‌های تناوب یکسان و دامنه متفاوت و حرکت در جهات مخالف هم را موج نیمه ایستا یا موج کوبه ناقص  می‌نامند. مسلماً وقوع چنین موجی ،نسبت به وقوع موج کاملاً ایستا، بسیار محتمل‌تر است، زیرا در طبیعت به ندرت دو موج با دامنه کاملاً مساوی به هم برخورد می کنند. برای یک چنین موجی می‌توان رابطه زیر را متصور شد.
(۳-۲)  برای درک بهتر و تصویری واقع گرایانه تر از دو موج نوسانی و انتقالی به شکل ذیل توجه کنید.

شکل ۳-۷-تفاوت بین موج نوسانی و انتقالی

عمل انتقال جرم در موج انتقالی در جهت حرکت موج صورت می گیرد . برخی مثال های این پدیده عبارت از مدهای سریع یا پرشهای هیدرولیکی متحرک ،امواج تولید شده در اثر شکست یک سد،امواج ملایم بوجود آمده بر روی یک بستر خشک، امواج تنها و امواج سیلابی  رودخانه ها هستند.
بنابراین در طبقه بندی فیزیکی ۲ نوع موج وجود دارد.
۱- نوسانی  2- موج انتقالی
۳-۳-۳-طبقه بندی ریاضی
همانطورکه می دانیم بحث در رابطه با موج و بیان موج بصورت روابط و پارامترهای ریاضی کاری بسیار مشکل است. مشکل اصلی در مطالعه حرکت موج،مجهول بودن یکی از مرزها است. مرز مجهول سطح آزاد نامیده می‌شود. روش حل مورد استفاده بطور کلی به اثرات غیر خطی، یعنی نسبت جزء اینرسی مکانی  به جزء اینرسی زمانی   وابسته است. هر چند به جای مواجه مستقیم با اجزای اینرسی یاد شده ،بهتر است که آنها را به پارامترهای ملموس‌تری مربوط کرد. برای این منظور از سه پارامتر مشخص کننده زیر استفاده می‌شود:
۱)پارامتر سطح آزاد،نظیر ارتفاع موج( )
۲) پارامتر معرف طول افقی، نظیر طول موج ( )
۳)عمق آب( )
روابط بین اینرسی و این سه پارامتر ساده نیستند ولی مقادیر نسبی آنها کمک قابل توجهی به طبقه بندی ریاضی نظریه های موج آب می‌کنند.
برای مثال به سادگی قابل تصور است، هنگامی که تراز سطح آب کاهش می یابد، سرعت ذره ای نیز کاهش خواهد یافت. نتیجه اینکه وقتی ارتفاع موج به سمت صفر میل می‌کند، جزء اینرسی مکانی با مربع سرعت ذره ای از مرتبه خیلی کوچکتری نسبت به جزء اینرسی زمانی که بطور خطی با سرعت رابطه دارد برخوردار می شود.
سه نسبت مشخصه از مؤلفه های  بدست می‌آیند، این سه نسبت عبارت از   هستند.
اهمیت نسبی جزء اینرسی مکانی با افزایش مقادیر این سه نسبت افزیش می یابد. مهمترین عامل در ژرف