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

 چكیده

1- مقدمه

2- انواع سازه‌های ساحلی

     2-1- تنوع سازه‌‌های ساحلی

     2-2- سازه‌های ساحلی

     2-3- اهداف كلی 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- آب‌شكنها

     2-3-6- دایكها

3- مكانیك حركت 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 فیزیكی

   3-3-3- طبقه بندی ریاضی

   3-3-4- طبقه‌بندی براساس ارتفاع موج

   3-4- تئوریهای موج

   3-4-1- معادلات اساسی حركت موج

   3-4-2- تئوری موج دامنه كوتاه

   3-4-3- امواج استوكس

   3-4-4- امواج كنویدال

   3-4-5- نظریه موج تنها

   3-5- محدودیتهای كاربرد نظریه‌های امواج

   3-6- نتیجه‌گیری

4- دایكهای ساحلی

  4-1- مقدمه‌ای بر استفاده از دایكهای ساحلی

  4-2- كلیات

  4-2-1- تعاریف

  4-2-2-هدف از بكار بردن دایكهای ساحلی

  4-2-3- انواع دایكهای ساحلی

4-2-3-1- دایكهای تیپ یك

4-2-3-2- دایكهای تیپ دو

4-2-3-3- دایكهای تیپ سه

4-2-4- مناطق و محدوده‌های بارگذاری

4-2-5- نیروهای وارده بر دایكهای ساحلی

4-2-6- نقاط و عوامل شكست دایكهای ساحلی

4-2-6-1- روگذری آب یا سرریز شدن آب از روی تاج

4-2-6-2- فرسایش درشیب بیرونی

4-2-6-3- گوه لغزش در شیب درونی

4-2-6-4- كمبود پایداری در خاكریز

4-2-6-5- روگذری

4-2-6-6- پایپینگ

4-2-6-7- اثرات برخورد مواد خارجی بر دایك

4-2-6-8- اثرات نیروی یخ بر دایك

4-2-6-9- روانگرایی

4-2-7- آنالیز دایك

4-2-7-1- انتهای ساخت

4-2-7-2- فروافتادن ناگهانی آب

4-2-7-3- تراوش پایدار

4-2-7-4- زلزله

4-2-8- حداقل فاكتورهای اطمینان

4-3- طراحی اولیه دایكهای ساحلی

4-3-1- پارامترهای حاكم در طراحی

4-3-1-1- پارامترهای محیطی مربوط به موج

4-3-1-2- پارامترهای سازه‌ای

4-3-1-3- پارامترهای هیدرولیكی

4-3-2- روابط پایداری

4-3-2-1- هادسن

4-3-2-2- روش فن در میر

4-3-2-3- اثرات شكل آرمور و دانه‌بندی

4-3-2-4- لایه‌های آرمور متشكل از قطعات بتنی

4-3-3- خزش موج

4-3-3-1- كلیاتی مربوط به خزش

4-3-3-2- روابط متداول برای محاسبه خزش نسبی موج

4-3-3-3- شیب متوسط

4-3-3-4- تاثیر آبهای كم‌عمق در خزش موج

4-3-3-5- اثر زاویه حمله موج

4-3-3-6- 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 تفكیك Rc و Hs از یكدیگر

   4-3-7- انعكاس موج

   4-3-8- محاسبه ضخامت لایه آرمور اولیه

   4-3-9- لایه آرمور ثانویه

   4-3-10- لایه فیلتر

   4-3-11- سكوی پنجه

   4-3-12- هسته

   4-3-13- محاسبه عرض تاج

5- 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 استاتیكی

    5-8- آنالیز مربوط به مسلح كردن دایك

    5-9- آنالیزهای مربوط به نشت آب

6- آنالیز دایك 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 ماكرو در پروژه مذكور

  6-5- بررسی خروجی‌های برنامه

  6-5-1- تفسیر نتایج نوع اول

 6-5-1-1- Sx

 6-5-1-2- Sy

6-5-1-3- Von mises

6-5-2- تفسیر نتایج نوع دوم

6-6- نتیجه

7- نتیجه‌گیری و پیشنهادات

منابع و ماخذ

فهرست منابع فارسی

فهرست منابع غیرفارسی

چكیده انگلیسی

فهرست شكل‌ها

3-1-     شكل: موج گرانشی سطحی به همراه مشخصات آن

3-2-     شكل: جبهه و راست گوشه موج

3-3-     شكل: حركت مداری ذرات زیرموج

3-4-     شكل: نیم‌رخهای امواج مختلف

3-5-     شكل: طبقه‌بندی امواج دریا براساس پریود موج

3-6-     شكل: موج نوسانی

3-7-     شكل: تفاوت بین موج نوسانی و انتقالی

3-8-     شكل: تعریف پارامترهای مورد استفاده در معادله اساسی حركت موج

3-9-     شكل: مقایسه بین پروفیل موج خطی و استوكس مرتبه دوم

3-10-    شكل: نیم‌رخهای سطحی موج نویدال

3-11-    شكل: نیم‌رخهای سطحی موج نویدال

3-12-    شكل: رابطهبین

3-13-    شكل رابطه بین  و پارامتر

3-14-    شكل: رابطه بین و پارامتر  وبین ارتفاع بدون بعد تاج

3-15-    شكل: رابطه بین

3-16-    شكل: رابطه بین

3-17-    شكل: نیم‌رخ‌ موج تنها

3-18-    شكل: مقادیر M , N برحسب تابعی از

3-19-    شكل: نواحی اعتبار نظریه‌های مختلف موج Lemehavte

3-20-    شكل: نظریه تحلیلی Dean

3-21-    شكل: محدوده كاربرد امواج استوكس با مرتبه معین

3-22-    شكل: محدوده كاربرد امواج نویدال

4-1-      شكل: محدوده‌‌های بارگذاری بر روی دایك ساحلی

4-2-      شكل: صفحه شكست بدون وجود برم

4-3-      شكل: صفحه شكست با وجود برم

4-4-      شكل: ضریب نفوذپذیری P

4-5-     شكل: مقایسه فرمول هادسن و فن در میر برای هسته نفوذپذیر بعد از برخورد 1000 موج

4-6-      شكل: مقایسه فرمول هادسن و فن در میر برای هسته نفوذناپذیر بعد از برخورد 5000 موج

4-7-      شكل: ارتفاع موج در مقابل پارامتر شكست با تاثیر سطح آسیب

4-8-      شكل: ارتفاع موج در مقابل پارامتر شكست با تاثیر نفوذ‌پذیری

4-9-      شكل: ارتفاع موج در مقابل آسیب

4-10-    شكل: اجزای یك دایك ساحلی

4-11-    شكل: عوامل موثر در ارتفاع دایك

4-12-    شكل: تغییرات خزش نسبی با

4-13-    شكل: خزش موج به روی شیب صاف و مستقیم در آبهای عمیق

4-14-    شكل: خزش موج به روی شیب صاف و مستقیم درآبهای كم‌عمق و خیلی كم‌عمق

4-15-    شكل: مقادیر خزش موج به همراه فاكتورهای تاثیر

4-16-    شكل: تعیین مولفه شیب برای سطح مقطع شامل شیبهای متفاوت

4-17-    شكل: اثر آبهای كم‌عمق بر طیف موج

4-18-    شكل: وابستگی   و   برای شیبهای متفاوت

4-19-    شكل: تعریف زاویه حمله موج

4-20-    شكل: اثر   با اندازه‌گیری نقاط برای خزش در امواج با تابش كوتاه

4-21-    شكل: دیاگرام عرض و عمق برم

4-22-    شكل: تعیین تغییرات در شیب برم

4-23-    شكل:   در مقابل

4-24-    شكل: اثر زبری المانهای مختلف

4-25-    شكل: خزش بر روی شیب آرمور سنگی با زیر لایه نفوذناپذیر

4-26-    شكل: ارتفاع آزاد تاج در روگذری موج

4-27-    شكل: مقادیر روگذری مجاز ارائه شده توسط Owen

4-28-    شكل: مقادیر روگذری مجاز ارائه شده توسط Franco

4-29-    شكل: تصویری از روگذری موج

4-30-    شكل: تصویری از روگذری موج

4-31-    شكل: خطرات روگذری

4-32-    شكل: خطرات روگذری

5-1-      شكل: مقطع مدل شده از دایك در Plaxis

5-2-      شكل: تاثیر مش‌بندی بر روی تغییر مكان

5-3-      شكل: تاثیر مش‌بندی بر روی ضریب اطمینان

5-4-      شكل: نمونه‌ای از مش‌بندی انجام شده بر دایك

5-5-      شكل: مقاطع مورد بررسی در آنالیز

5-6-      شكل: تغییرات تغییر مكان با شیب در مرحله انتهای ساخت

5-7-      شكل: محاسبه ضریب اطمینان در انتهای ساخت برای شیبهای مختلف

5-8-     شكل: نتایج ضرایب اطمینان در انتهای ساخت

5-9-     شكل: تغییرات تغییر مكان در مرحله نشت پایدار

5-10-   شكل: تغییرات ضریب اطمینان در مرحله نشت پایدار برای شیبهای مختلف

5-11-   شكل: مقایسه ضرایب اطمینان در حالت نشت پایدار

5-12-   شكل: عملكرد توام فیلتر در ژئوسنتتیك در مقابل با فروافتادگی ناگهانی آب

5-13-   شكل: مقایسه حداكثر تغییر مكان در مرحله فروافتادگی ناگهانی

5-14-   شكل: مقایسه ضرایب اطمینان در مرحله فروافتادگی ناگهانی

5-15-    شكل: حالت بیشینه اثر تخریبی زلزله بر دایك ساحلی

5-16-    شكل: بیشینه تغییر مكان در مرحله زلزله با شتاب افقی در جهت ساحل

5-17-    شكل: مقایسه ضرایب اطمینان در مرحله زلزله با شتاب افقی در جهت ساحل

5-18-    شكل: تغییر مكان در مرحله زلزله با شتاب افقی در جهت سمت دریا

5-19-    شكل: مقایسه ضرایب اطمینان در مرحله زلزله با شتاب افقی در جهت دریا

5-20-    شكل: حساسیت مدول مختلف برای مسلح سازها

5-21-    شكل: تاثیر مدول مختلف برای ضرایب اطمینان

5-22-    شكل: تاثیر فاصله مسلح‌سازها بر ضریب اطمینان در بدنه خاكریز

5-23-    شكل: گراف مقایسه‌ای تاثیر فاصله مسلح‌سازها در ضریب اطمینان

5-24-    شكل: تاثیر طول مسلح‌سازها بر روی ضریب اطمینان

5-25-    شكل: منحنی دبی نشت در حالت وجود پرده آب‌بند بدون پتوی رسی

5-26-   شكل: منحنی دبی نشت در حالت پتوی آب‌بند افقی با طول‌های مختلف و بدون پرده آب‌بند

5-27-    شكل: منحنی نشت در حالت وجود پتوی آب‌بند و پرده آب‌بند عمودی

6-1-      شكل: نحوه تعریف المان وگره

6-2-      شكل: المان موردنظر در مركز Core

6-3-      شكل: المان موردنظر در چپ Core

6-4-      شكل: المان مورد نظر در راست Core

6-5-    شكل: Contour در step شماره 4 برای شیب

6-6-    شكل: Contour در step شماره 7 برای شیب

6-7-    شكل:  Contour در step شماره 4 برای شیب

6-8-    شكل: Contour  تنش vonmises برای شیب

6-9-    شكل: تغییرات Sx در بازه زمان در مركز هسته

6-10-  شكل: تغییرات Sx در بازه زمان در قسمت چپ هسته

6-11 - شكل: تغییرات Sx در بازه زمان در قسمت راست هسته

فهرست جداول

عنوان     صفحه

3-1-    جدول: مشخصات تئوری موج airy

3-2-    جدول: نتایج موج استوكس مرتبه دوم

4-1-    جدول: فاكتورهای اطمینان

4-2-    جدول: مقدار ضریب KD برای تعیین وزن آرمور

4-3-    جدول: ضرایب تجدیدنظر برای شكل‌های آرمور

4-4-    جدول: مقادیر   و nV ارائه شده در SPM

5-1-    جدول: نتایج تاثیر مش‌بندی

5-2-    جدول: مقایسه تغییر مكان‌ها در انواع آنالیزها و شیب‌ها

5-3-    جدول: مقایسه تغییرات مكان بین حالت زلزله و انتهای ساخت

5-4-    جدول: مقایسه تغییر مكان در حالت زلزله و انتهای ساخت

5-5-    جدول: مقایسه تاثیر زلزله در شیب‌های مختلف بر ضریب اطمینان

6-1-    جدول: مشخصات مكانیكی مدل

6-2-    جدول: مقادیر max تنش در شیب‌های مختلف

6-3-    جدول: تغییرات مقادیر تنش‌های كششی و فشاری در تغییر شیب

6-4-    جدول: مقادیر max تنش در شیب‌های مختلف

6-5-    جدول: تغییرات مقادیر تنش‌های كششی و فشاری در تغییر شیب

6-6-    جدول: مقادیر max و min تنش vonmises در شیب‌های مختلف

 

 
2-1- تنوع سازه‌های ساحلی
گستره سازه‌های ساحلی به اندازه‌ای وسیع است كه به نوعی دربرگیرنده طیف وسیعی از انواع مختلف سازه‌ها می‌باشد. بطوری كه این سازه‌ها با اهداف متنوعی ساخته می‌شوند.
در حالت كلی این نوع سازه‌ها را می‌توان به دو دسته طبقه‌بندی كرد:
الف) سازه‌های ساحلی
ب) سازه‌های فراساحلی
با توجه به تعدد سازه‌های ساحلی می‌توان كاربردهای متفاوتی را برای آنها متصور شد، كاربردهایی چون امكان 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 كه از نام این نوع سازه‌ها مشخص است، سازه‌های فراساحلی، سازه‌هایی هستند كه در اعماق و دور از ساحل احداث می‌شوند. نحوه احداث این نوع سازه‌ها، عمدتاً بصورت پیش ساخته است كه پس از حمل به محل نصب منتقل گشته و اجرا می‌شوند.
سازه‌هایی چون سكوهای دریایی، مخازن زیردریایی و خطوط انتقال نفت و گاز در زمره این نوع سازه‌ها قرار دارد.
با توجه به اینكه موضوع مطرح در این تحقیق مربوط به دایكلهای ساحلی است، لذا از پرداختن به سازه‌های فراساحلی خودداری می‌شود.
2-2- سازه‌های ساحلی
در یك طبقه‌بندی كلی 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
2-3- اهداف كلی 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 عملكرد به دو دسته تقسیم می‌شوند:
الف – مواردی كه عملكرد آنها مبتنی بر كاهش سرعت جریان، ته‌نشین ساختن و تثبیت ماسه‌های معلق در محل موردنظر است. مانند موج شكنها ، آب‌شكنها ، اسكله‌های عمومی
ب – مواردی كه 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 دایكها، دیوارهای دریایی ، پوششهای ساحلی  و دیواره‌ها .
دیوارهای دریایی به همراه دیواره‌ها از نظر طراحی با مقداری اختلاف مشابه یكدیگرند. دیواره‌ها در ابتدا باید در مقابل رانش خاك مقاوم باشد و سپس سیستمی مقاوم در برابر امواج را تشكیل دهند. در حالی كه دیوارهای ساحلی در مرتبه نخست در برابر امواج طرح می‌شوند و سپس بحث رانش كنترل می‌گردد.
با توجه به تعدد سازه‌های ساحلی و فراساحلی، از پرداختن به همه آنها خودداری می‌شود و تنها به ذكر توضیحاتی مختصر در ارتباط با سازه‌های مهم ساحلی بسنده می‌گردد.
2-3-1- دیوارهای ساحلی
دیوارهای دریایی سازه‌هایی هستند كه تقریباً نزدیك ساحل و به موازات آن ساخته می‌شوند. این سازه‌ها تنها از زمین‌های مجاور خودشان محافظت می‌كنند. نكات مورد توجه در طراحی آنها عبارتند از كاربرد و شكل فوقانی سازه‌ها، محل مناسب با توجه به نوار ساحلی، طول، ارتفاع، پایداری خاك و سطح آب.
نوع كاربرد سازه، انتخاب شكل آن را میسر می‌سازد. شكل سازه ممكن است به صورتهای متفاوتی باشد. عمودی، مایل، منحنی محدب و مقعر و پله‌ای كه هر كدام عملكرد بخصوصی دارند.
این نوع ساز‌ه‌ها، نسبت به دیواره‌ها و پوششها، حجیم‌تر می‌باشد. زیرا این سازه‌ها باید در مقابل كل نیروی امواج مقاومت كنند.
بنابراین به اختصار می‌توان گفت كه این نوع سازه‌ها معمولاً برای محافظت ساحل از اثرات ممتد فرسایش و كاهش خطرات ناشی از برخورد امواج احداث می‌شوند.
2-3-2- دیواره‌ها
در طراحی دیواره‌ها توجه به موارد زیر، الزامی است.
1- امواج، تراز جزر و مد، عمق آب
2- خصوصیات ژئوتكنیكی بستر
3- خصوصیات خاك زمین مورد ترمیم
4- شرایط كاربرد از زمین مورد حفاظت و مرمت آن
5- تاثیر زلزله
6- اجازه سرریز كردن امواج یا عدم سرریز آن
7- موقعیت منطقه آبی اطراف دیواره
8- روش ساخت و اجرا
9- روش ترمیم و بازسازی
بنابراین برای طراحی دیواره‌ها، نیاز به طیف وسیعی از اطلاعات داریم. اطلاعاتی در ارتباط با آب، خاك و خودسازه و كاربرد 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 كاربردی دیواره‌ها و شرایط كاربری زمین انجام شود.
2-3-3- پوششهای ساحلی
این نوع سازه‌ها به دو گروه تقسیم می‌شوند
الف – پوشش ساحلی صلب كه از نوع بتن‌ در جا می‌باشد
ب – پوشش ساحلی انعطا‌ف‌پذیر شامل riprap و پوشش بلوكهای بتنی و آسفالتی
نكته مهم در ارتباط با پوشش صلب این است كه محل آن در طول ساخت تا زمانی كه بتن كاملاً خود را نگرفته، باید از وجود آب مصون باشد. هر دو پوشش صلب و انعطاف‌پذیر از ساحل كاملاً محافظت می‌كند. علاوه بر آن سازه‌های انعطاف‌پذیر، مقاومت كافی در برابر تحكیم‌های جزئی از خود نشان می‌دهند.
2-3-4- تپه‌های ماسه‌ای
تپه‌های ماسه‌ای یكی از روشهای طبیعی حفاظت از سواحل می‌باشد. این تپه‌ها در طول خط ساحلی باعث جلوگیری از حركت امواج و طوفانهای شدید و همین طور جریانهای ناشی از جزر و مد به داخل منطقه ساحلی می‌گردد تپه‌های ساحلی دور از خشكی نسبت به تپه‌های ماسه‌ای نزدیك ساحل، حفاظت كمتری از ساحل انجام می‌دهد.
نكته مهم در این نوع تپه‌ها، گسترش آنها به علت وجود ماسه بر روی شیب سمت دریاست.
2-3-5- آبشكنها
كاربردهای اصلی آبشكنها عبارتند از جلوگیری از فرسایش خط ساحلی، احیا ساحل و كاهش ضربات امواج بر روی سازه‌های دیگر ساحلی، نظیر دیواره‌ها و یا دیوارهای ساحلی
به عبارت دیگر آبشكنها نقش واسطه بین همه یا قسمتی از موانع موجود بین دریا و سازه را ایفا می‌كند.
2-3-6- دایكها
بحث مفصل و تكمیلی دایكها در فصول بعد مطرح خواهد شد.
3 ـ 1  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 تركیب سواحل هستند و نیز دارای تاثیر عمده ای در طراحی بنادر ، آبراهها ، سازه های حفاظتی ساحلی، سازه های ساحلی و دیگر كارهای ساحلی و دریایی می باشند. امواج سطحی غالباً توسط باد تولید می شوند . مقدار قابل توجهی از انرژی امواج در كرانه های ساحلی مستهلك می‌شوند.
امواج مهمترین منبع انرژی برای شكل دهی سواحل ، طبقه بندی و جابجایی موادرسوبی كف 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 درك فیزیكی صحیح تر مراحل تولید و انتشار امواج سطحی ، سعی گردد ، حركت پیچیده آب در مناطق نزدیك ساحل ادراك شود.بطور خلاصه ، درك مكانیك حركت امواج در سازماندهی و طراحی كارهای 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 شكل امواج ناشی از اثر متقابل كف دریا و سازه ها تشریح می شوند.
قابل ذكر است كه با توجه به تنوع تئوری های موجود در رابطه با امواج ، و همچنین مفصل بودن بحث موج ، تنها به ذكر تعدادی از تئوریهای معتبر امواج بسنده كرده و مطالعات بیشتر و در عین حال تكمیلی را با ذكر منابع و مراجع داده شده به خوانندگان محترم این پروژه واگذار می كنم.
همچنین در این پروژه ، كلیه تئوریهای مهم ارائه شده ، در قالب برنامه ای كه توسط ویژوال بیسیك نوشته شده است ، ارائه میگردند تا ما را از انجام برخی محاسبات پیچیده و در عین حال طولانی بی نیاز كنند. خروجی های این برنامه به عنوان ورودی مورد نیاز در طراحی سازه های حفاظت از سواحل بخصوص در دایكهای ساحلی مورد استفاده قرار می گیرد .
در این فصل ، در ابتدا تعاریف مورد نیاز در مبحث مكانیك امواج و تئوری امواج مطرح می گردد تا با آشنایی كامل 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.
مؤكداً توصیه می شود ، برای فراگرفتن نحوه تحلیل امواج ، مستقیماً به فرمولهای ذكر شده در قالب جداول مذكور 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 كند.
 
3-2- تعاریف
پیش از پرداختن به مبحث نظریه‌های موجود، لازم است كه برخی اصطلاحات در قالب تعاریفی كوتاه بیان گردند.
همانطور كه می‌دانیم موج در واقع ، نوسان سطحی رویه یك سیال است. در بعضی از مواقع از واژه موج گرانشی سطحی  استفاده می‌شود كه در واقع به موجی اطلاق می‌گردد كه عامل ثقل،عاملی مهم در برگرداندن موج به وضعیت اولیه و متعادل خود می‌باشد . یك موج گرانشی سطحی بطور كامل با سه پارامتر زیر تعریف می شود .
1)ارتفاع موج ( )     2) طول موج3( )       3) عمق متوسط آب4 ( )
شكل 3-1- موج گرانشی سطحی به همراه مشخصات آن
عمق متوسط آب در این تعریف فاصله از كف تا سطح متوسط آب5 ( ) می‌باشد. در این تعریف سطح متوسط آب بنحوی تعریف می‌شود كه سطح زیر تاج موج6، با سطح زیر ناوموج 7 مساوی گردد . در واقع تاج و ناو در پروفیل موج، به ترتیب بالاترین و پایین‌ترین نقاط آن محسوب می شود . بنابراین بوضوح مشخص است كه 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 می‌كنیم.
ذكر این نكته ضروری است كه برای امواج كوتاه این دامنه‌ها مساوی بوده و هریك برابردامنه موج  هستند ( ).
فاصله زمانی بین عبور دو نقطه تاج متوالی از یك 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 كه 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 كند. در مقابل پریود موج، فركانس قابل تعریف است كه درست عكس پریود عمل می‌كند و نشان دهنده تعداد عبور موج از یك نقطه معین در واحد زمان است.
اگر حركت موج دو بعدی ( ) در نظر گرفته شود، آنگاه می توان به تعریف جبهه موج  رسید. جـبهه موج در واقع یك 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.
شكل 3-2-جبهه و راست گوشه موج
برای توصیف عبور موج در سطح سیال از واژه انتشار استفاده می شود . موج پیشرونده  ، موجی است كه نسبت به یك دستگاه مختصات ثابت در سیال حركت می‌كند. جبهه موج با سرعت فاز یا سرعت موج  ( ) ، در جهت راست گوشه موج منتشر می‌شود ( ).
انرژی موج  كه مجموع دو انرژی پتانسیل  و انرژی جنبشی  است ، در امواج دامنه كوتاه 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 كم عمق یا كم ژرفا  ( )، هر دو سرعت تقریباً یكسان هستند.
ژرفاب به عمقی اطلاق می شود كه 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  كه برای بسیاری از اهداف محاسباتی قابل قبول است مشخص می
شود. در مقابل عمقی كه در آن سرعت موج تنها به عمق آب بستگی داشته و مستقل از دوره تناوب موج باشد، آب كم ژرفا نامیده می‌شود.
پس از ذكر 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 حركتی ذرات  زیر موج پرداخته شود.
مدارهای حركت ذره در شرایط ایده آل، در امواج دامنه كوتاه، منحنی بسته‌ای را تشكیل می‌دهند. ذكر این نكته ضروری است كه این مدارها، نه خطوط جریان بلكه صرفاً مسیرهای ذرات  هستند.
به شكل (3-3)- دقت كنید:
شكل3-3- حركت مداری ذرات زیر موج
ذرات در ژرفاب به شكل دوار حركت می كنند. اما در آب كم ژرفا بیضی ها تا حد زیادی بصورت افقی كشیده می شوند.
سرعت ذره‌ای كه كاملاً با سرعت موج متفاوت است در زیر تاج موج در جهت انتشار موج و در زیر ناو موج، در خلاف آن جهت حركت می كند . مقدار سرعت ذره ای در زیر تاج موج حداكثر بوده و مقدار آن عموماً خیلی كمتر از سرعت موج است  و یا به عبارت دیگر . متغیر   مؤلفه افقی سرعت ذره‌ای است.
تنها استثنای این مورد ،موج در حالت شكست است. این استثنا حاصل شرایط حدوداً مساوی حداكثر 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 كم عمق افزایش می‌یابد. علت عمده افزایش تیزی موج در نزدیكی سواحل تاثیر زبری بستر دریا بر روی سیستم موج است. این عامل سبب كاهش عمده طول موج نسبت به جای عمیق می‌شود.

در نهایت تیزی موج با افزایش  و یا كاهش   به یك حالت حدی می رسد. تحت این شرایط حدی، موج ناپایدار گشته و سر انجام می‌شكند. این حد بطور تقریبی برای ژرفاب  و برای آب كم ژرفا  است.
بحث شكست موج، بحثی بسیار مهم در مبحث سازه‌های حفاظت از سواحل می باشد. لذا، پرداختن به این موضوع فصلی مجزا طلب خواهد كرد كه به آن می‌پردازیم.
همانطور كه اشاره شد، در این بخش تنها به ذكر تعاریفی از برخی واژه های مطرح در مكانیك موج بسنده كردیم. زمانی كه به مبحث تئوری امواج پرداخته می شود با برخی واژه‌های ناآشنای دیگر برخورد خواهیم كرد، كه در زیر به معرفی برخی از آنها می‌پردازیم .موج سینوسی ، موجی با پروفیل به شكل تابع سینوسی یا كسینوسی است. این وضعیت به طور نظری در ژرفاب با موج خیلی كوتاه وجود دارد . برای تحلیل چنین موجی می‌توان از تبدیلات و سریهای فوریه استفاده كرد . موج فوق در قالب بحث امواج دامنه كوتاه مطرح می‌گردد. این امواج به علت مشخصات رفتاری دارای تیزی كمی 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 كه پروفیل فرضی برای امواج آب كم عمق است و بوسیله سریهای ریاضی شامل كسینوس بیضوی ژاكوبی  تعریف می‌گردند و موج تنها كه شكل فرضی موج قبل از شكست آن است. شكل (3-4).
شكل3-4 – نیم رخهای امواج مختلف
در مبحث تئوری امواج بصورت مفصل به انضمام برنامه‌ای كامل ، انواع تئوریها بحث خواهد شد.
سرعت بـاد، سرعت متـوسط بـاد در یك ارتـفاع معین در بـالای سطح دریـا اسـت (مثلاً10متر). موجگاه  ، سطحی از دریا است كه 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 كرد كه یك موجگاه فرضی علاوه بر طول دارای عرض نیز هست كه ما آن را حداقل   طول موجگاه فرض می‌كنیم.
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 كه در یك مكان معین رشد بیشتر امكان پذیر نباشد. اگر طول موجگاه و زمان وزش به ازای سرعت معین باد به اندازه كافی طولانی باشد، آنگاه بلندترین امواج ممكن در یك ناحیه مشخص بوجود می‌آیند. این وضعیت را ، شرایط موج كاملاً نمو یافته می‌نامند.
و اما ناحیه میرایی ؛ معمولاً به ناحیه پایین دست باد كه در آن توده امواج تولید شده، پس از ترك طول موجگاه منتشر میشوند، اطلاق میگردد. شاید مناسب تر باشد اگر از واژه ناحیه پراكندگی  استفاده گردد. امواج در ناحیه پراكندگی به طور طولی و عرضی پراكنده می‌شوند.
چیزی كه در این ناحیه بوضوح مشهود است ، كاهش ارتفاع موج است ولی نه به علت اثرات لزجت یا آشفتگی، بلكه به علت گسترده شدن انرژی موج در سطح افزایش یافته دریا.
افت انرژی موج در فرآیند سینماتیك همان استهلاك موج  است. تعبیر دیگر این جمله همان افت ارتفاع رشته موج است. اگر انرژی موج ثابت بماند آنگاه با پیشروی موج به سمت ساحل، كاهش طول موج با افزایش ارتفاع آن جبران می‌شود. این امر موجب افزایش تیزی موج می گردد و در نهایت در صورت رسیدن به یك حالت حدی می‌شكند.
3-3- طبقه بندی امواج آب
به علت پیچیدگی رفتاری موج، تكنیكهای متعددی برای طبقه بندی امواج وجود دارد. مثل طبقه بندی كلی بر اساس دوره تناوب، طبقه بندی فیزیكی، طبقه بندی ریاضی، طبقه بندی براساس ارتفاع موج و طبقه‌بندی براساس عمق آب كه در ذیل به تشریح هریك می پردازیم.
3-3-1-طبقه بندی بر اساس دوره تناوب
قبل از بیان هر مطلبی به شكل زیر توجه كنید.
شكل3-5- طبقه بندی امواج دریا بر اساس پریود موج
همانطوری كه در شكل ملاحظه می كنید، دوره تناوب امواج دریا بسیار گسترده هستند. بطوریكه گاهاً از كسری از ثانیه شروع و حتی تا یك روز كامل ادامه پیدا می‌كنند. در حالت كلی این امواج را تحت دو نام امواج پریود كوتاه و امواج پریود بلند شناسایی می‌كنیم.
حال به اختصار توضیحی در رابطه با این تقسیم بندی ارائه می‌شود.
موج دارای كوتاهترین دوره تناوب ،موج كشش سطحی  نامیده می شود. دوره تناوب این موج كمتر از   و طول آن گاهاً كمتر از   با ارتفاع   تا   است.
اگر به نام دیگر موجها دقت كنیم واژه  در آنها مشاهده می‌شود . همانطور كه قبلاً نیز اشاره شد نیروی گرانش، نیروی مولد این امواج هستند و همچنین این نیرو به عنوان عاملی متعادل كننده دراین امواج مطرح می شود . معمولاً دوره تناوب این نوع امواج كه توسط باد تولید می‌شوند كمتر از   تا   ثانیه است . گاهی امواج ناشی از باد تا ارتفاع  هم دیده شده‌اند. امواج دورآ  ، امواج ناشی از باد هستند كه تا خارج از ناحیه تولید خود حركت می كنند . 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 كشند 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 1 ساعت است. اما بر كشند طوفان بوسیله اغتشاشات جوی نظیر گردبادها، طوفانهای دریایی و نظایر آنها بوجود می‌آید.
در این پروژه، از ذكر جزئیات محاسباتی امواج پریود بلند صرفنظر می‌گردد. 2 دلیل عمده این امر، گستردگی موضوع امواج پریود كوتاه به موازات گستردگی كل پروژه و دیگری اهمیت به سزای امواج پریود كوتاه در طراحی سازه های حفاظت از سواحل هستند.
3-3-2- طبقه بندی فیزیكی
اساساً دو نوع امواج آب از نقطه نظر فیزیكی در طبیعت وجود دارند. 1) امواج نوسانی  2) امواج انتقالی . در یك موج نوسانی انتقال جرم  یا دبی برابر صفر است . در این حالت حركت موج را می توان به نوسان عرضی  یك طناب تشبیه كرد. (شكل3-6).
شكل 3-6-موج نوسانی
در حالیكه در موج انتقالی،موج همراه با انتقال جرم است . به عنوان مثال پرش هیدرولیكی متحرك   كه مد سریع   نیز خوانده می شود یك نوع موج انتقالی است .
در یك موج نوسانی، اغتشاش ، بصورت تابعی از   در طول محور   تعریف می‌شود. قابل ذكر است كه امواج نوسانی به 2 دسته تقسیم می شوند:
1) امواج پیشرونده          2) امواج ایستا
خصوصیات موج پیشرونده برای ناظر در حال حركت با همان سرعت و جهت موج، یكسان باقی می ماند. یعنی اگر  بصورت تابعی از   بجای( ) بیان شود آنگاه پروفیل ماندگار  حاصل می شود . بنابراین ( ) رابطه كلی برای یك موج پیشرونده ماندگار است. این موج با سرعت   در جهت   حركت می‌كند. اما اگر موجی در جهت منفی پیشروی كند با رابطه ( )  بیان می‌شود.
ساده ترین حالت موج پیشرونده با یك منحنی سینوسی یا كسینوسی همانند رابطه زیر تعریف می شود.
 (3-1)                                                                 
چنین موجی، موج هارمونیك نامیده می‌شود. طوریكه در این رابطه  دامنه موج و  ارتفاع موج است.
عدد موج    تعداد موجها در هر دور است. بسامد زاویه‌ای موج  بصورت  تعریف می‌شود.
همانطور كه 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 یكسان ولی بـا حركت در جهت مخالف هم فرض كرد . موج ایستای ایجاد شده را موج كوبه   می‌نامند.
دوموج دارای دوره‌های تناوب یكسان و دامنه متفاوت و حركت در جهات مخالف هم را موج نیمه ایستا یا موج كوبه ناقص  می‌نامند. مسلماً وقوع چنین موجی ،نسبت به وقوع موج كاملاً ایستا، بسیار محتمل‌تر است، زیرا در طبیعت به ندرت دو موج با دامنه كاملاً مساوی به هم برخورد می كنند. برای یك چنین موجی می‌توان رابطه زیر را متصور شد.
(3-2)  برای درك بهتر و تصویری واقع گرایانه تر از دو موج نوسانی و انتقالی به شكل ذیل توجه كنید.

شكل 3-7-تفاوت بین موج نوسانی و انتقالی

عمل انتقال جرم در موج انتقالی در جهت حركت موج صورت می گیرد . برخی مثال های این پدیده عبارت از مدهای سریع یا پرشهای هیدرولیكی متحرك ،امواج تولید شده در اثر شكست یك سد،امواج ملایم بوجود آمده بر روی یك بستر خشك، امواج تنها و امواج سیلابی  رودخانه ها هستند.
بنابراین در طبقه بندی فیزیكی 2 نوع موج وجود دارد.
1- نوسانی  2- موج انتقالی
3-3-3-طبقه بندی ریاضی
همانطوركه می دانیم بحث در رابطه با موج و بیان موج بصورت روابط و پارامترهای ریاضی كاری بسیار مشكل است. مشكل اصلی در مطالعه حركت موج،مجهول بودن یكی از مرزها است. مرز مجهول سطح آزاد نامیده می‌شود. روش حل مورد استفاده بطور كلی به اثرات غیر خطی، یعنی نسبت جزء اینرسی مكانی  به جزء اینرسی زمانی   وابسته است. هر چند به جای مواجه مستقیم با اجزای اینرسی یاد شده ،بهتر است كه آنها را به پارامترهای ملموس‌تری مربوط كرد. برای این منظور از سه پارامتر مشخص كننده زیر استفاده می‌شود:
1)پارامتر سطح آزاد،نظیر ارتفاع موج( )
2) پارامتر معرف طول افقی، نظیر طول موج ( )
3)عمق آب( )
روابط بین اینرسی و این سه پارامتر ساده نیستند ولی مقادیر نسبی آنها كمك قابل توجهی به طبقه بندی ریاضی نظریه های موج آب می‌كنند.
برای مثال به سادگی قابل تصور است، هنگامی كه تراز سطح آب كاهش می یابد، سرعت ذره ای نیز كاهش خواهد یافت. نتیجه اینكه وقتی ارتفاع موج به سمت صفر میل می‌كند، جزء اینرسی مكانی با مربع سرعت ذره ای از مرتبه خیلی كوچكتری نسبت به جزء اینرسی زمانی كه 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 مكانی با افزایش مقادیر این سه نسبت افزیش می یابد. مهمترین عامل در ژرف