View complete article here.
Inżynieria wybrzeża jest wysoce wyspecjalizowanym rodzajem inżynierii, która została zaprojektowana w celu zajęcia się zarówno naturalnymi, jak i spowodowanymi przez człowieka zmianami w strefach przybrzeżnych.
Dobrze przemyślane rozwiązanie inżynierii wybrzeża może zapewnić strukturalną i niestrukturalną ochronę przed zmianami w strefie przybrzeżnej, a także może zmaksymalizować korzystne efekty przy jednoczesnym zminimalizowaniu niekorzystnych skutków potencjalnych rozwiązań dla problematycznych obszarów na linii brzegowej.
Inżynieria wybrzeża obejmuje zastosowanie zarówno nauk fizycznych, jak i inżynierii, i wymaga dokładnego zrozumienia danego obszaru, aby w pełni zrozumieć naturę i złożoność danego problemu.
W Stanach Zjednoczonych jest ponad 84 240 mil linii brzegowej, z około 41 procentami linii brzegowej wystawionej na działanie otwartego oceanu, a reszta jest osłonięta przez zatoki, estuaria i laguny.
Rozległe linie brzegowe Stanów Zjednoczonych różnią się znacznie w charakterystyce, ze skalistymi brzegami w Nowej Anglii, bagnami w regionie Środkowego Atlantyku, klifami przybrzeżnymi w Kalifornii i działalnością powulkaniczną na północnym Pacyfiku i Alasce.
Duża różnorodność typów amerykańskich linii brzegowych pokazuje potrzebę dogłębnego zbadania przed podjęciem projektu inżynierii przybrzeżnej.
Plaże i linie brzegowe mają pewne naturalne mechanizmy obronne przed erozją spowodowaną przez fale, prądy i sztormy. Obejmuje to nachylone dno przybrzeżne, które powoduje, że fale rozbijają się na morzu, rozpraszając swoją energię w strefie przybrzeżnej. Inne formy ochrony mogą obejmować wydmy ochronne i nasypy plażowe, które tworzą się z czasem w wyniku działania wiatru i wody.
Jednakże z czasem rozwój spowodowany przez człowieka wzdłuż plaż i linii brzegowych zniszczył wiele z tych naturalnych zabezpieczeń przed erozją.
W dodatku wykorzystanie dróg wodnych do celów transportowych zmieniło kierunek naturalnego przepływu wody, który może przyspieszyć tempo erozji. Potencjalna utrata gruntów z powodu erozji spowodowanej sztormami, falami i prądami może spowodować znaczne straty pieniężne dla właścicieli nieruchomości i inwestorów.
Inżynier wybrzeża może często opracowywać rozwiązania, które pomogą zapobiec lub zmniejszyć ryzyko erozji w tych obszarach. Aby to zrobić, inżynier musi zrozumieć nie tylko podstawowe zasady inżynierii, ale także naturalne siły powodujące erozję w pierwszej kolejności.
Projekt inżynierii przybrzeżnej rozwija się w trzech fazach.
Po pierwsze, inżynier musi przeprowadzić badania, aby zrozumieć system fizyczny na linii brzegowej i odpowiedź linii brzegowej na te siły.
Po drugie, inżynier musi zaprojektować roboty nadbrzeżne, aby spełnić cele projektu, które mieszczą się w granicach akceptowalnego oddziaływania na wybrzeże.
Po trzecie, inżynier musi nadzorować budowę robót nadbrzeżnych i monitorować ich wykonanie, aby zapewnić prawidłowe działanie.
W niniejszym artykule omówione zostaną dwie pierwsze fazy: badanie linii brzegowej i badanie opcji dla projektów robót przybrzeżnych.
Faza pierwsza: Badanie linii brzegowej
Przed rozpoczęciem jakichkolwiek prac nad projektem inżynierii przybrzeżnej inżynier musi najpierw przeprowadzić kompleksowe badanie linii brzegowej, aby w pełni zrozumieć dynamikę elementów, których to dotyczy.
Projekty przybrzeżne są wyjątkowe, ponieważ obejmują skrzyżowanie powietrza, lądu i wody, z warunkami, które często się zmieniają. Inżynier musi obserwować każdy element, w tym ocean i plażę, jak również to, jak plaża reaguje na różne zdarzenia, takie jak sztormy, aby uzyskać zrozumienie, jak zaprojektować projekt robót przybrzeżnych.
Jako sprawa wstępna, inżynier powinien zbadać zakres pływów dla konkretnej lokalizacji geograficznej. Ta informacja może pomóc inżynierowi zrozumieć poziom, na którym fale uderzą w plażę.
Podobnie, informacje o prądzie i przypływie mogą informować o tym, jak woda spiętrza się na lądzie lub jak woda będzie się podnosić podczas sztormu.
Następnie inżynierowie powinni zbadać samą plażę, aby określić rodzaj obecnych na niej osadów i nachylenie plaży. Czynniki te są ważnym czynnikiem przy budowie projektu robót przybrzeżnych.
Jako ogólną zasadę przyjmuje się, że większe cząstki piasku znajdują się na bardziej stromych plażach, podczas gdy plaże o łagodnym nachyleniu mają tendencję do występowania drobniejszych ziaren piasku.
Inżynierowie powinni również wziąć pod uwagę różne naturalne zabezpieczenia, jakie może mieć obszar przybrzeżny.
Wyspy barierowe są ważną formą fizycznej ochrony niektórych linii brzegowych, zwłaszcza wzdłuż wybrzeża Atlantyku na południe od Long Island. W teorii, wyspy te chronią stały ląd przed falami, jednak wiele z nich zostało tak wysoko rozwiniętych, że ich własne wybrzeża również mogą potrzebować ochrony.
Laguny są płytkimi zbiornikami wodnymi, które oddzielają plażę barierową od stałego lądu. Laguny są połączone z oceanem przez wlot.
Te wloty mogą zapewnić przejście nawigacyjne do morza i mogą pozwolić na materiał plażowy usunięty przez sztormy, aby być przeniesione z powrotem do morza. Zmieniające się warunki mogą spowodować zamknięcie niektórych wlotów, podczas gdy nowe wloty otwierają się.
Poprzez badania, inżynierowie odnotują historyczną reakcję plaż na zmieniające się warunki. Linie brzegowe mają dwie podstawowe dynamiczne odpowiedzi na morze: odpowiedź na normalne warunki i odpowiedź na warunki sztormowe.
Podczas normalnych warunków, energia fal oceanicznych jest zazwyczaj rozpraszana przez naturalne mechanizmy obronne plaży, takie jak nachylone dna przybrzeżne i rozwój naturalnych wydm ochronnych.
Jednakże podczas sztormów, ogromna energia fal często wymaga od plaż poświęcenia dużej ilości linii brzegowej. Może to spowodować trwałą utratę lądu.
Podczas sztormów, silne wiatry generują wysokie, strome fale i mogą prowadzić do spiętrzeń sztormowych, które pozwalają falom uderzać w części plaży, które normalnie nie są wystawione na działanie wody.
Te fale następnie są w stanie erodować plażę, nasyp, a czasami wydmy, przenosząc materiał na dno przybrzeżne, aż do utworzenia przybrzeżnego baru. Ten bar będzie następnie służyć do łamania fal dalej od brzegu, ostatecznie chroniąc plażę.
W ciężkich burzach, takich jak huragany, to nie jest niezwykłe dla wysokich poziomów wody z fal sztormowych do erozji wszystkich lub części wydmy w ciągu kilku godzin. Plaża zasadniczo poświęca część plaży i wydmy, aby zbudować przybrzeżny bar, zapobiegając dalszej erozji.
Z czasem, plaża, która została wyerodowana przez burzę może zostać zwrócona przez fale. Jednak utrata lądu może być trwała, zwłaszcza jeśli sztorm był szczególnie gwałtowny lub erozja była znaczna.
Inżynierowie muszą również uwzględnić to, co jest znane jako transport piasku wzdłuż lądu, który jest ruchem osadów zarówno równolegle, jak i prostopadle do brzegu. Wynika to z wzburzania osadów przez łamiące się fale, oraz przemieszczania tych osadów przez energię fal i prąd.
Osady, które poruszają się w ten sposób są znane jako materia litoralu. To może się znacznie różnić w zależności od pory roku, dnia, a nawet godziny na godzinę. W obszarach z zatokami i wyspami barierowymi, transport wzdłuż lądu może zostać przerwany, zatrzymując piasek w lagunach.
Stabilność linii brzegowej jest jednym z głównych celów projektu inżynierii przybrzeżnej. Plaża jest uważana za stabilną, gdy długoterminowe tempo dostarczania i utraty piasku jest równe.
Działa wiele sił, które mogą przyczynić się do erozji linii brzegowej i utraty piasku, a każda z nich musi być rozważona przez inżyniera wybrzeża przed rozpoczęciem projektu.
Może to obejmować przyczyny naturalne, takie jak wzrost poziomu morza, zmienność w dostawie osadów, fale sztormowe, fale i fale przybrzeżne, deflacja, transport osadów wzdłuż lądu i sortowanie osadów plażowych.
Może to być również spowodowane przez człowieka, co może wystąpić z powodu osiadania ziemi z usuwania zasobów podpowierzchniowych, przerwania materiału w transporcie, zmniejszenia podaży osadów, koncentracji energii fal na plażach, zwiększonej zmienności poziomu wody, zmiany w naturalnej ochronie wybrzeża lub usuwania materiału z plaży.
Każdy z tych czynników powinien być brany pod uwagę podczas badania linii brzegowej w oczekiwaniu na projekt inżynierii przybrzeżnej.
Faza druga: Projektowanie robót przybrzeżnych
Po zakończeniu badania linii brzegowej inżynier przybrzeżny powinien następnie rozważyć typ projektu robót przybrzeżnych, który jest odpowiedni dla danego obszaru.
Jakkolwiek naturalne cechy, takie jak wydmy i nasypy plażowe mogą zapewnić pewien poziom ochrony, gdy zostały one zniszczone przez sztormy lub zmniejszone przez rozwój człowieka, bez prac przybrzeżnych, fale i fale sztormowe mogą uszkodzić plażę, nieruchomości nad oceanem i nie tylko.
Pierwszym rozwiązaniem, które wielu inżynierów wybrzeża rozważy dla ochrony linii brzegowej są quasi-naturalne zabezpieczenia, takie jak, sztuczne budowanie wydm lub odżywianie plaży.
Te metody mogą pomóc zachować samą plażę, rozproszyć energię fal i przywrócić wydmę jako obronę przed falami sztormowymi i falami.
Nawożenie plaży ma dodatkową korzyść w postaci poszerzenia samej plaży, zwiększając jej wartość rekreacyjną.
Jednakże, te opcje są tylko tymczasowymi rozwiązaniami i nie będą realnymi rozwiązaniami dla długoterminowej erozji spowodowanej wzrostem poziomu morza lub zmniejszającą się podażą osadów w systemie litoralnym.
Jeśli do ochrony rozwoju wybrzeża konieczne jest bardziej trwałe rozwiązanie erozji, należy zbudować struktury stworzone przez człowieka.
Projekty te dzielą się na dwie kategorie: (1) konstrukcje mające na celu uniemożliwienie falom dotarcia do obszaru portowego, takie jak grodzie, ściany morskie, umocnienia lub falochrony, oraz (2) konstrukcje służące do zapobiegania dalekomorskiemu transportowi dryfu przybrzeżnego, takie jak pachwiny i pirsy.
Pierwsza kategoria konstrukcji jest budowana na lądzie w celu zapewnienia ochrony górnej plaży, która stoi przed zabudową przybrzeżną lub erodującymi urwiskami.
Głowice i ściany morskie mają podobne projekty, ale różnią się celem.
Stawy morskie są głównie zaprojektowane, aby oprzeć się falom i zatrzymać trochę gleby, podczas gdy grodzie są głównie zaprojektowane, aby zatrzymać glebę i również oprzeć się falom. Mogą być zbudowane ze stali, drewna, pali betonowych, gabionów lub nasypów gruzowych.
Grodzie nie zapewniają wystarczającej ochrony w miejscach narażonych na działanie oceanu z powodu erozji przedpola i flankowania. Grodzie muszą być połączone z innymi rodzajami ochrony lub powiększone do falochronu, aby wytrzymać bezpośrednie działanie fal.
Farby morskie mogą mieć pionowe, zakrzywione, schodkowe lub pochyłe ściany. Podczas gdy falochrony chronią górę lądu, mogą stanowić problem lokalnie, ponieważ siły działające w dół mogą usuwać piasek przed ścianą. Kamienne fartuchy mogą zapobiegać nadmiernemu podmywaniu i podkopywaniu.
Rewalenty są zwykle wykonane z jednej lub więcej warstw kamienia z kamieniołomu lub prefabrykatów betonowych z warstwą filtracyjną nakładającą się na stopniowane zbocze gleby in situ.
Celem refulatu jest ochrona istniejącego zbocza wydmy. Nie są one konstrukcją oporową, ale służą jako rodzaj pancerza dla bardziej stabilnej wydmy lub nasypu.
Rewalenty mają mniejszy negatywny wpływ na plażę niż pionowa gródź, ponieważ ich nachylone czoło może rozpraszać energię fal.
Brejery to bariery zaprojektowane w celu ochrony dowolnego kształtu terenu lub obszaru wodnego przed falami poprzez pochłanianie energii fal. Ponieważ struktury te są budowane na morzu, koszt ich budowy jest wyższy niż struktur lądowych, takich jak ściany morskie, i są one wykorzystywane głównie do ochrony portów i celów nawigacyjnych.
Breakwery mogą być wykonane na wiele sposobów, w tym równolegle do brzegu, oderwane i segmentowe. Falochrony są zazwyczaj budowane z sekcji nasypanych gruzem z kamieniem pancernym obudowującym pod warstwami i materiałem rdzeniowym.
Jakkolwiek są zbudowane, mogą zmniejszyć transport osadów wzdłuż lądu, powodując akumulację piasku i erozję plaży.
Pompowanie piasku z miejsca, w którym się nagromadził do erozji plaży było jednym ze sposobów, w jaki inżynierowie wybrzeża radzili sobie z tym problemem.
Druga kategoria struktur ma na celu zapobieganie dalekomorskiemu transportowi osadów.
Obejmuje ona pachwiny, które są strukturami barierowymi rozciągającymi się od brzegu do strefy litoralnej.
Przepusty są zwykle budowane w serii wzdłuż długości plaży, która ma być chroniona, aby zmodyfikować ruch piasku, z ostatecznym celem gromadzenia piasku na brzegu lub zapobiegania jego utracie.
Żerdzie mają potencjał, aby negatywnie wpływać na inne plaże, ponieważ uwięziony piasek nie będzie dla nich dostępny, a więc piasek często będzie musiał być sztucznie umieszczony, aby zapobiec uszkodzeniu i erozji tej linii brzegowej.
Żerdzie mogą być skonstruowane z drewna, stali, betonu lub kamienia z kamieniołomów i są klasyfikowane jako wysokie lub niskie, długie lub krótkie, przepuszczalne lub nieprzepuszczalne, lub, stałe lub regulowane.
Przepusty są używane na wlotach do osłony statków przed siłami fal, kontrolowania ruchu piasku wzdłuż plaż, aby zapobiec jego gromadzeniu się w kanale, oraz do stabilizacji pozycji kanału nawigacyjnego.
Przepusty są często wymagane na obu końcach wlotu, aby chronić kanał i zapobiegać wypełnianiu go piaskiem z powodu transportu przybrzeżnego.
Tak jak w przypadku falochronów, pirsy mogą mieć negatywny wpływ na plaże dryfujące w dół rzeki, zapobiegając dalekomorskiemu transportowi piasku. Aby zminimalizować erozję tych plaż, niektóre projekty przewidują pompowanie piasku z nabrzeża na plażę dryfującą w dół rzeki.
Typowo, projekty robót przybrzeżnych są najlepiej zaprojektowane jako duże, kompleksowe projekty. Ochrona pojedynczych działek lub mniejszych projektów zwykle zawodzi, ponieważ przyległa linia brzegowa będzie nadal ulegać erozji. Częściowe środki ochronne mogą w rzeczywistości przyspieszyć tę erozję.
Skoordynowane działanie na obszarze regionalnym jest bardziej wydajne, skuteczne i ekonomiczne.
Ważność projektów inżynierii przybrzeżnej
Zachowanie piasku poprzez dobrze zaplanowane projekty inżynierii przybrzeżnej jest niezbędne do zachowania plaż oraz ochrony własności i inwestycji wzdłuż wybrzeży morskich w całych Stanach Zjednoczonych.
Ponieważ plaże mają pewien stopień naturalnej ochrony przed erozją, sztormy i rozwój spowodowany działalnością człowieka mogą powodować cofanie się plaż – i wysoki potencjał uszkodzenia domów, firm i infrastruktury w przypadku sztormu.
Inżynieria wybrzeża może rozwiązać wiele z tych problemów poprzez strategiczne projekty, takie jak sztuczne wydmy, mury morskie, falochrony, falochrony, pirsy, pachwiny i grodzie.
Projekty te są złożone. Wymagają dogłębnego zrozumienia zarówno zasad inżynierii, jak i nauki stojącej za tym, jak i dlaczego erozja występuje w danym miejscu.
Po starannym badaniu i procesie projektowania, projekt robót przybrzeżnych może pomóc w zapobieganiu erozji i chronić zarówno plażę, jak i nieruchomości w regionie przybrzeżnym.
Zobacz pełny artykuł tutaj.
Pozostałe informacje na temat projektu robót przybrzeżnych można znaleźć tutaj.